如何在集成系統(tǒng)中測量溫度

隨著處理器速度提高并消耗更多功耗，熱管理成為所有使用微控制器的器件中的日益重要的問題。由于熱管理變得日益重要，所使用的技術(shù)變得更復(fù)雜和有條件限制。然而，歸其根本，熱管理歸結(jié)為測量溫度以及驅(qū)動如風扇、液體冷卻系統(tǒng)和時鐘節(jié)流(clock throttling)等冷卻機制。

溫度測量得越準確，就越能驅(qū)動精細調(diào)節(jié)冷卻機制。這有益于省電(對于驅(qū)動冷卻機制)、改善性能并提供更清潔的聲學(xué)環(huán)境。

根據(jù)系統(tǒng)要求，可以有多種在集成系統(tǒng)中進行溫度測量的方法。這些方法的實例包括熱偶、熱敏電阻和最常用的解決方案熱二極管。熱偶是已知熱性能的金屬回路。電流通過回路，測量電壓從而測量回路的阻抗。結(jié)果是，隨著溫度升高阻抗發(fā)生變化。

與電偶類似的一種器件是熱敏電阻。這種器件被構(gòu)造成其阻抗直接與溫度成線性。為了使用熱敏電阻準確測量溫度，必須知道流入器件的電流，器件上測量的電壓必須非常準確。

使用熱偶和熱敏電阻電路測量溫度可行也不昂貴。在許多應(yīng)用中，它們就足夠了。然而，它們并不容易適用于delta測量，它們可測量的精度受到限制。

稍微復(fù)雜一些但十分常見的測量溫度的方法是利用二極管相對于溫度的正向電壓(VF)特性。在給定電流下，二極管的正向電壓由方程1(見附錄)給出。

直接測量VF的一個問題在于IS條件高度依賴于溫度，它意味著方程式VF(T)不存在封閉解，變得非常難以預(yù)測。此外，很難產(chǎn)生不隨電源、處理變化和溫度而發(fā)生變化的精確的電流源。

由于對數(shù)特性，如果VF在兩個獨立溫度下測量，兩次測量的差將根據(jù)溫度線性變化，而不存在條件。此外，線性條件是電流比率的函數(shù)，它相當平坦且不依賴于反過來影響單電流源的工作條件。方程式2-4(見附錄)說明了delta VF如何以代表電壓的方程式4而確定，在進行溫度測量時常常對電壓進行估計。

圖1顯示了溫度和Delta VF之間的理想關(guān)系。在這一曲線中，η系數(shù)精實地等于1.000，而IF2 / IF1之比等于是17。很容易說明，該比率常被用于溫度監(jiān)測以達到良好的匹配特性。

圖1 Delta VF與溫度

很多熱傳感二極管包括連接到離散晶體管(如2N3904)的二極管，或襯底晶體管的基極-發(fā)射結(jié)。采用晶體管代替二極管的工作基本原理仍然適用，而上述二極管方程式適用于以VBE(或者對于PNP型器件是VEB)代替VF，以及以IC代替IF的晶體管。

對于一級操作，方程式5(見附錄)顯示了所測量的對探險測溫度的關(guān)系。由方程式4(見附錄)可見，溫度1℃的變化相應(yīng)于VF約244μV的變化。這一很小的值通常被做乘法，然而通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)進行測量，然后采用數(shù)個通信協(xié)議發(fā)射至微控制器。

在對這么小的電壓的測量中的任何誤差，都會給最終測量的溫度造成很大影響。有4個主要誤差源將影響ΔVBE數(shù)值，并最終影響報告的溫度。誤差源為串連阻抗、二極管方程式的理想值(η)、噪聲注入和晶體管的非理想beta值。

串連阻抗直接影響ΔVBE的測量，增加了由用于測量溫度的絕對電流差所決定的偏移量。如果不忽略該串連阻抗，方程式5變成方程式6(見附錄)。

如方程式6所示，串連阻抗產(chǎn)生根據(jù)串連阻抗值而變化的溫度讀數(shù)的偏移。圖2顯示了相對于該串連阻抗的單一溫度的溫度誤差。

圖2 在0℃的溫度誤差與串連阻抗

理想因子值η是一個基于晶體管結(jié)構(gòu)的物理特性。對于任何特定器件而言，該值是一常數(shù)，雖然對于不同器件有所變化。當理想因子值不等于1.000或不等于溫度監(jiān)視器配置的理想因子時，它就會造成誤差。在方程式5中，溫度測量反比與該值，如果它不同于理想值(或預(yù)期值)，它將產(chǎn)生一個與溫度不一致的乘法放大值。

下面圖3顯示了由于各種理想因子失配而引入的有效誤差。

圖3 由于理想因子(η)帶來的溫度誤差

噪聲注入更難以用絕對值進行量化。VBE測量通常在特定的頻率進行，并通過一個低通濾波器。二極管噪聲注入的大部分被衰減，然而，由于低通濾波器并不理想，噪聲殘余會產(chǎn)生DC偏移。由于A/D轉(zhuǎn)換器對VBE測量的DC值進行取樣，通過通常模式的注入，一些噪聲無法去除，因而在溫度測量中產(chǎn)生偏移。噪聲誤差的大小由注入的噪聲以及測量電路的濾波能力所決定。

最后一個誤差源是由于大多數(shù)測量二極管在實際中是晶體管或VBE結(jié)而引入的。在二極管中，IF值設(shè)置為正向電壓VF。當使用連接至晶體管或襯底VBE結(jié)的二極管時，被驅(qū)動流入二極管的電流，和被設(shè)為一個確切比率的電流，為發(fā)射極電流，盡管集電極電流決定VBE電壓。發(fā)射極電流和集電極電流之間的關(guān)系已知，并且這里beta會有影響。圖4顯示了連接晶體管作為熱二極管的幾種常見配置。

圖4 連接二極管的晶體管配置

Beta的絕對值不重要，也不造成測量誤差。重要的是在工藝變化或工作條件變化時，beta不是一個恒定值。Beta隨溫度變化，但更重要的是，它將作為晶體管中集電極電流的結(jié)果而變化。Beta改變測量電流的比率，并因而像理想因子值η一樣加大偏移。

如方程式8中所示(見附錄)，如果β2 = β1 = β，那么分母中自然對數(shù)的每兩項等于1，方程式8變成方程式5。同樣地，隨著β增加，beta失配的作用越來越小。在許多分立式晶體管器件中，beta為50-100的數(shù)量級，然而在襯底PNP器件中，beta的大小常常小于1，甚至低至0.25。

如圖5中所示，僅為1的beta變化將引起0.75度的誤差。在很小幾何尺寸的器件中，在所用電流范圍beta變化可高達35%。

圖5 溫度誤差與Beta變化

由于每種誤差源是獨立的，每種都必須單獨解決以糾正所測量的溫度。如我們看到的，即使是很小的失配或誤差，都能引致所測溫度中很大的誤差。這一誤差要求熱測量系統(tǒng)必須具有更大的誤差容許量(margin-for-error)，它反過來不需要最佳的冷卻解決方案。降低或消除溫度測量中的主要誤差源可以提高熱管理系統(tǒng)的節(jié)電效率。

附錄/方程式

其中：

VF = 二極管正向電壓

VBE = 晶體管基極-發(fā)射極電壓

IF = 流入二極管的電流

IE = 流入晶體管發(fā)射極的電流

IS = 二極管或晶體管的飽和電流

η = 二極管的理想因子(額定值1.00)

k = Boltzmann常數(shù) = 1.381e-23

q = 電子電荷 = 1.602e-19

T = Kelvin溫度 =℃溫度 + 273.15

Christopher Fischbach

SMS公司架構(gòu)工程師