寬測量范圍溫度敏感IC

2004年7月B版

　　外接的一只雙極型晶體管作為敏感元件的數(shù)字式“遠(yuǎn)端放置”溫度傳感器，是多年以來人們倚重的、用以檢測高速、高性能芯片(如微處理器、圖形處理器和FPGA等)溫度的一種敏感器件。對于保證最佳性能和防止災(zāi)難性事故而言，精確的溫度監(jiān)控具有關(guān)鍵意義。溫度監(jiān)測裝置協(xié)助系統(tǒng)對風(fēng)扇進(jìn)行控制并實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘減速(clock throttling)功能，以便讓高性能IC的工作溫度保持在必要的范圍之內(nèi)。溫度更高時(shí)，可以用它來關(guān)閉系統(tǒng)以防止出現(xiàn)故障。隨著性能和功率水平的提高，遠(yuǎn)程溫度監(jiān)控功能變得越來越重要，其實(shí)現(xiàn)也越來越困難。

　　幾乎所有傳統(tǒng)數(shù)字溫度傳感器IC的上限都小于128℃，很多傳感器的極限都小于100℃。在許多情況下，傳統(tǒng)傳感器的極限已經(jīng)夠用了，但有時(shí)需要測量高達(dá)150℃的溫度，在這些情況下，需要采用寬測量范圍的溫度傳感器。

　　典型的數(shù)字式溫度傳感器IC以一個(gè)符號(hào)位和8個(gè)大小位來表示溫度，最低位表示的溫度為1℃，而最高位表示64℃。最高位為64℃的表示方法將最大的可測量溫度限制在128℃以下。

　　一個(gè)寬測量范圍溫度傳感器可以測量的量值應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出128℃這一極限——常常要達(dá)到150℃。采用權(quán)重為128℃的最高位是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)最方便的辦法，此時(shí)，溫度范圍被拓寬到255℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了有用范圍。由于測量溫度的半導(dǎo)體結(jié)的特性限制，溫度在約150℃ 以上時(shí)測量精度會(huì)迅速降低。

　　對于電路板的溫度監(jiān)測而言，127℃以上的溫度是不可能遇到的。但微處理器、圖形處理器或FPGA等高功率芯片的溫度監(jiān)測需要更寬的測量范圍。

　　這些高功率IC的工作溫度高于通常的溫度范圍，故它們的監(jiān)測需要溫度范圍更寬的傳感器。最大的工作溫度與時(shí)鐘速度、工藝、器件封裝和各種設(shè)計(jì)因素有關(guān)。信號(hào)的完整性常常會(huì)隨著溫度的升高而降低，最后直到電路不能保證其性能指標(biāo)為止。在很多CPU和圖形處理器中，出現(xiàn)這一問題的溫度大約為100℃，但在一些高性能電路中，正常的工作溫度范圍會(huì)擴(kuò)展到145℃。由于芯片的最大絕對溫度接近工作范圍的上限，則進(jìn)行溫度監(jiān)測、在必要時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)以避免失效變得更為關(guān)鍵(圖1)。

　　在某些高性能處理器上，測溫二極管的物理特性會(huì)使測量到的溫度值發(fā)生偏差，換句話說，測量出的溫度將大大高于實(shí)際溫度。在這種情況下，溫度傳感器需要測量出的表觀溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于正常的工作溫度范圍。

遠(yuǎn)程溫度敏感原理

　　通過一個(gè)“遠(yuǎn)程二極管”測量溫度最常見的方法是：讓兩路不同的電流流過二極管，一般其比例約為10:1。(該二極管并非是1N4001之類的雙端器件，它實(shí)際上是一個(gè)連接成二極管形式的雙極型晶體管，雙引出端的二極管的理想因數(shù)并不適用于遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器)。該二極管對應(yīng)于每個(gè)電流級(jí)的電壓值被測量出來，而溫度則根據(jù)如下方程求出：

　　該式中，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是二極管的理想因數(shù)，k是Boltzmann常數(shù)1.38x10-23J/o(K)，T是以oK為單位表示的溫度，q是一個(gè)電子的電荷量(1.60x10-19C)。如果IH/IL=10，上式可以簡化為VH- V L = 1.986