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摘要：利用遠(yuǎn)程溫度傳感器監(jiān)測(cè)高性能微處理器和圖象處理器的管芯溫度現(xiàn)已成為一種很普通的技術(shù)，被用于系統(tǒng)的功率和熱量等工況的管理。隨著時(shí)鐘速度、電路密度和功率水平的提升，管芯工作溫度可能會(huì)超出常規(guī)溫度傳感器的量程極限。Maxim的新型溫度傳感器能夠測(cè)量已超出老器件量程的溫度。本文主要討論這種寬量程的溫度傳感器以及其理論和應(yīng)用。
在高速、高性能集成電路如微處理器、圖象處理器和FPGA的管芯溫度監(jiān)測(cè)中，利用外部雙極型晶體管作為敏感元件的數(shù)字式遠(yuǎn)程溫度傳感器已得到廣泛的采用。在這些系統(tǒng)中，要獲取最佳性能，同時(shí)又避免系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性故障，精確的溫度監(jiān)測(cè)是關(guān)鍵。系統(tǒng)根據(jù)溫度監(jiān)視器的測(cè)量結(jié)果執(zhí)行風(fēng)扇控制和時(shí)鐘扼制等功能，保持高性能IC工作在安全溫度范圍以內(nèi)。在更高溫度時(shí)，還可用它來關(guān)斷系統(tǒng)以免發(fā)生故障。隨著性能和功率水平的提升，遠(yuǎn)程溫度監(jiān)視功能變得更加重要，也更難實(shí)現(xiàn)。
實(shí)際上，所有的常規(guī)數(shù)字溫度傳感器IC的測(cè)溫上限均小于128°C，很多被限制在100°C以內(nèi)。很多情況下，這個(gè)常規(guī)測(cè)溫范圍是足夠的。然而，有些時(shí)候測(cè)量高達(dá)150°C的溫度非常重要。在此情況下，就需要寬量程的溫度傳感器了。
一些大功率芯片的最高工作溫度依賴于時(shí)鐘速度、工藝、器件封裝和其它各種設(shè)計(jì)因素。通常，信號(hào)的完整性隨著溫度的升高而變差，直至電路不再滿足規(guī)范要求。在許多CPU和圖象處理器中，這種情況發(fā)生在100°C左右，但在一些高性能電路中，正常工作條件可延伸至145°C。如果器件在更寬的溫度范圍內(nèi)仍能正常工作，為保證其工作在安全范圍內(nèi)，精確的溫度測(cè)量非常重要。由于此溫度范圍的上限已接近晶片的極限溫度條件，為避免器件失效和由此而導(dǎo)致的系統(tǒng)關(guān)斷，溫度監(jiān)視就更加關(guān)系重大(圖1)。
圖1. 寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器能夠監(jiān)視高性能器件的整個(gè)工作范圍。
在一些高性能處理器中，由于熱敏二極管的物理機(jī)制，所測(cè)溫度中有一個(gè)“偏移”。也就是說，所測(cè)得的溫度將比實(shí)際溫度高出許多。在這種情況下，溫度傳感器需要測(cè)量比正常工作范圍高得多的“視在”溫度。盡管所測(cè)得的溫度為150°C或更高，二極管的真實(shí)溫度可能仍然在處理器的正常工作溫度范圍內(nèi)。
其中：
IH是較高的二極管偏置電流
IL是較低的二極管偏置電流
VH是IH產(chǎn)生的二極管電壓
VL是IL產(chǎn)生的二極管電壓
n是二極管的理想因子
k是玻耳茲曼常數(shù)(1.38 x 10-23joules/°K)
T是絕對(duì)溫度，單位為°K
q 是一個(gè)電子的電量(1.60 x 10-19°C)
若
= 10，則上式可簡(jiǎn)化為：
其中“n”稱為理想因子，與工藝有關(guān)。對(duì)絕大多數(shù)晶體管，其值十分接近1.0。例如，Pentium? III微處理器的理想因子約為1.008，而Pentium IV微處理器約為1.002。遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器產(chǎn)生有精確比率關(guān)系的兩種電流，測(cè)量所產(chǎn)生的電壓，然后對(duì)所測(cè)電壓通過比例調(diào)整和電平轉(zhuǎn)移得到溫度數(shù)據(jù)。內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)必須在存有相當(dāng)高共模的條件下精確測(cè)量小電壓；1°C的溫度變化量對(duì)應(yīng)于大約200μV。
寬量程的溫度傳感器與常規(guī)傳感器類似，但內(nèi)置ADC的輸入電壓范圍稍大一些，以適應(yīng)高、低兩種電流所產(chǎn)生的更大的電壓差。另外，溫度數(shù)據(jù)的組織方式也不同。Maxim公司的寬量程溫度傳感器增加了一個(gè)更高權(quán)重的最高有效位(MSB)，以便測(cè)量128°C以上的溫度。通常是將符號(hào)位替換為更高的MSB。
要生產(chǎn)可靠、精確、寬量程的遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器，還需要具備精密的生產(chǎn)測(cè)試技術(shù)，以對(duì)傳感器進(jìn)行精細(xì)調(diào)整和驗(yàn)證其精度。Maxim專有的熱管理測(cè)試系統(tǒng)能測(cè)量傳感器與熱二極管的溫度，并對(duì)傳感器的內(nèi)部電路進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)業(yè)界無可比擬的精度。
2003年，Maxim又推出了MAX6646/MAX6647/MAX6649，這三款寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器具有兩線I2C/SMBus?兼容接口，特別適合于臺(tái)式機(jī)、筆記本和服務(wù)器等應(yīng)用。這些傳感器在上至145°C的測(cè)量范圍內(nèi)具備1°C的精度(圖2)，是目前最精確的遠(yuǎn)程溫度傳感器。它們與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件MAX6692引腳兼容，并且寄存器也是兼容的。而在128°C以上，溫度數(shù)據(jù)寄存器有一個(gè)附加的數(shù)據(jù)位可用于更高溫度的測(cè)量。這些傳感器還具有一些其他功能，例如指示過熱和低溫狀態(tài)的熱比較器輸出，這些功能在高性能IC的監(jiān)視與保護(hù)方面非常有用。
圖2. MAX6649 測(cè)量CPU或圖形處理器上熱二極管的溫度，60°C至145°C范圍內(nèi)精度達(dá)1°C。精度要求稍微降低一些，還可測(cè)量高達(dá)150°C的溫度。
另外一個(gè)2003年推出的新型寬量程溫度傳感器是MAX6642 (圖3)，它是當(dāng)前最小的、具有SMBus接口的寬量程溫度傳感器。它被封裝于6引腳TDFN，占位面積3mm x 3mm，厚度僅0.8mm。精度在60°C至100°C范圍內(nèi)保證優(yōu)于±1°C，100°C至150°C范圍內(nèi)保證優(yōu)于±3.5°C。
圖3. MAX6642是目前業(yè)界最小的遠(yuǎn)程溫度傳感器，測(cè)量溫度可高達(dá)150°C。
在高速、高性能集成電路如微處理器、圖象處理器和FPGA的管芯溫度監(jiān)測(cè)中，利用外部雙極型晶體管作為敏感元件的數(shù)字式遠(yuǎn)程溫度傳感器已得到廣泛的采用。在這些系統(tǒng)中，要獲取最佳性能，同時(shí)又避免系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性故障，精確的溫度監(jiān)測(cè)是關(guān)鍵。系統(tǒng)根據(jù)溫度監(jiān)視器的測(cè)量結(jié)果執(zhí)行風(fēng)扇控制和時(shí)鐘扼制等功能，保持高性能IC工作在安全溫度范圍以內(nèi)。在更高溫度時(shí)，還可用它來關(guān)斷系統(tǒng)以免發(fā)生故障。隨著性能和功率水平的提升，遠(yuǎn)程溫度監(jiān)視功能變得更加重要，也更難實(shí)現(xiàn)。
實(shí)際上，所有的常規(guī)數(shù)字溫度傳感器IC的測(cè)溫上限均小于128°C，很多被限制在100°C以內(nèi)。很多情況下，這個(gè)常規(guī)測(cè)溫范圍是足夠的。然而，有些時(shí)候測(cè)量高達(dá)150°C的溫度非常重要。在此情況下，就需要寬量程的溫度傳感器了。
擴(kuò)展測(cè)量溫度
典型數(shù)字溫度傳感器IC用一個(gè)符號(hào)位和七個(gè)數(shù)值位表示溫度，一個(gè)LSB對(duì)應(yīng)于1°C，一個(gè)MSB對(duì)應(yīng)于64°C。盡管有些數(shù)字傳感器有更多位來表示更高分辨率的溫度，但64°C的MSB將最高測(cè)量溫度限制在128°C以內(nèi)。寬量程的溫度傳感器能夠測(cè)量的溫度遠(yuǎn)高于這個(gè)128°C—通?？蛇_(dá)150°C。實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)最方便的方法就是將MSB的權(quán)重設(shè)置為128°C。這種情況下，溫度數(shù)據(jù)的范圍將擴(kuò)展至255°C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了可用范圍，因?yàn)椴淮罂赡茉庥?27°C以上的溫度。由于用來測(cè)溫的半導(dǎo)體結(jié)的局限性，在所測(cè)溫度超過約150°C時(shí)精度下降很快。一些大功率芯片的最高工作溫度依賴于時(shí)鐘速度、工藝、器件封裝和其它各種設(shè)計(jì)因素。通常，信號(hào)的完整性隨著溫度的升高而變差，直至電路不再滿足規(guī)范要求。在許多CPU和圖象處理器中，這種情況發(fā)生在100°C左右，但在一些高性能電路中，正常工作條件可延伸至145°C。如果器件在更寬的溫度范圍內(nèi)仍能正常工作，為保證其工作在安全范圍內(nèi)，精確的溫度測(cè)量非常重要。由于此溫度范圍的上限已接近晶片的極限溫度條件，為避免器件失效和由此而導(dǎo)致的系統(tǒng)關(guān)斷，溫度監(jiān)視就更加關(guān)系重大(圖1)。
圖1. 寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器能夠監(jiān)視高性能器件的整個(gè)工作范圍。
在一些高性能處理器中，由于熱敏二極管的物理機(jī)制，所測(cè)溫度中有一個(gè)“偏移”。也就是說，所測(cè)得的溫度將比實(shí)際溫度高出許多。在這種情況下，溫度傳感器需要測(cè)量比正常工作范圍高得多的“視在”溫度。盡管所測(cè)得的溫度為150°C或更高，二極管的真實(shí)溫度可能仍然在處理器的正常工作溫度范圍內(nèi)。
遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)的基本原理
利用遠(yuǎn)程感溫二極管測(cè)量溫度的最普通的辦法，是以兩種不同的電流驅(qū)動(dòng)二極管，一般電流比為10:1 (這個(gè)二極管并不是象1N4001那樣的兩引線器件，而是一個(gè)連接為二極管方式的雙極型晶體管。兩引線二極管的理想因子與遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器不兼容)。測(cè)出二極管在兩種不同電流水平下的電壓，然后由下式可計(jì)算出溫度：其中：
IH是較高的二極管偏置電流
IL是較低的二極管偏置電流
VH是IH產(chǎn)生的二極管電壓
VL是IL產(chǎn)生的二極管電壓
n是二極管的理想因子
k是玻耳茲曼常數(shù)(1.38 x 10-23joules/°K)
T是絕對(duì)溫度，單位為°K
q 是一個(gè)電子的電量(1.60 x 10-19°C)
若
= 10，則上式可簡(jiǎn)化為：其中“n”稱為理想因子，與工藝有關(guān)。對(duì)絕大多數(shù)晶體管，其值十分接近1.0。例如，Pentium? III微處理器的理想因子約為1.008，而Pentium IV微處理器約為1.002。遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器產(chǎn)生有精確比率關(guān)系的兩種電流，測(cè)量所產(chǎn)生的電壓，然后對(duì)所測(cè)電壓通過比例調(diào)整和電平轉(zhuǎn)移得到溫度數(shù)據(jù)。內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)必須在存有相當(dāng)高共模的條件下精確測(cè)量小電壓；1°C的溫度變化量對(duì)應(yīng)于大約200μV。
寬量程的溫度傳感器與常規(guī)傳感器類似，但內(nèi)置ADC的輸入電壓范圍稍大一些，以適應(yīng)高、低兩種電流所產(chǎn)生的更大的電壓差。另外，溫度數(shù)據(jù)的組織方式也不同。Maxim公司的寬量程溫度傳感器增加了一個(gè)更高權(quán)重的最高有效位(MSB)，以便測(cè)量128°C以上的溫度。通常是將符號(hào)位替換為更高的MSB。
要生產(chǎn)可靠、精確、寬量程的遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器，還需要具備精密的生產(chǎn)測(cè)試技術(shù)，以對(duì)傳感器進(jìn)行精細(xì)調(diào)整和驗(yàn)證其精度。Maxim專有的熱管理測(cè)試系統(tǒng)能測(cè)量傳感器與熱二極管的溫度，并對(duì)傳感器的內(nèi)部電路進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)業(yè)界無可比擬的精度。
能夠測(cè)量150°C的遠(yuǎn)程溫度傳感器
Maxim公司的第一個(gè)寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器是MAX6627，于2001年推出。MAX6627不同于其它遠(yuǎn)程溫度傳感器的獨(dú)特之處是它采用三線(時(shí)鐘、串行數(shù)據(jù)輸出和片選)數(shù)字接口。它采用小巧的8引腳SOT-23封裝，使其可以緊靠關(guān)鍵元件放置。2003年，Maxim又推出了MAX6646/MAX6647/MAX6649，這三款寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器具有兩線I2C/SMBus?兼容接口，特別適合于臺(tái)式機(jī)、筆記本和服務(wù)器等應(yīng)用。這些傳感器在上至145°C的測(cè)量范圍內(nèi)具備1°C的精度(圖2)，是目前最精確的遠(yuǎn)程溫度傳感器。它們與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件MAX6692引腳兼容，并且寄存器也是兼容的。而在128°C以上，溫度數(shù)據(jù)寄存器有一個(gè)附加的數(shù)據(jù)位可用于更高溫度的測(cè)量。這些傳感器還具有一些其他功能，例如指示過熱和低溫狀態(tài)的熱比較器輸出，這些功能在高性能IC的監(jiān)視與保護(hù)方面非常有用。
圖2. MAX6649 測(cè)量CPU或圖形處理器上熱二極管的溫度，60°C至145°C范圍內(nèi)精度達(dá)1°C。精度要求稍微降低一些，還可測(cè)量高達(dá)150°C的溫度。
另外一個(gè)2003年推出的新型寬量程溫度傳感器是MAX6642 (圖3)，它是當(dāng)前最小的、具有SMBus接口的寬量程溫度傳感器。它被封裝于6引腳TDFN，占位面積3mm x 3mm，厚度僅0.8mm。精度在60°C至100°C范圍內(nèi)保證優(yōu)于±1°C，100°C至150°C范圍內(nèi)保證優(yōu)于±3.5°C。
圖3. MAX6642是目前業(yè)界最小的遠(yuǎn)程溫度傳感器，測(cè)量溫度可高達(dá)150°C。
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