采用混合信號FPGA實現(xiàn)智能化熱管理(07-100)

　　從方程 (1) 中解出將要送到ADC的轉(zhuǎn)換電壓，即如下的方程 (2)；進(jìn)而得到混合信號FPGA所測量出的電壓值。

　　DV = T * n * k * ln(IH / IL) / q (2)

　　DV = 298 * 1 * (1.38x10-23 J/K) * ln(10) / (1.602x10-19C)

　　DV = 298 * 0.00019835 = 59 mV

　　在室溫下，電壓值相對較小?；旌闲盘?a class="contentlabel" href="http://m.butianyuan.cn/news/listbylabel/label/FPGA">FPGA中的溫度監(jiān)視電路內(nèi)置一個12.5倍放大器，可將預(yù)測信號放大，從而使溫度信號的測量更精確。因此，考慮到電壓信號到達(dá)ADC前會被放大，需要對方程 (2)進(jìn)行修改，即：

　　DV = (T * n * k * ln(IH / IL) / q ) *12.5

　　DV = ( 298 * 0.00019835) * 12.5 = 738 mV

　　噪聲濾除

　　通常，溫度測量值都難免包含討厭的噪聲。為去除噪聲，通常的做法是將多次測量值平均，并采用這個平均后的結(jié)果。好在溫度是個變化相對慢的參數(shù)，因此測量多次 (常常可達(dá)1,000次) 也不必?fù)?dān)心實際信號變化。通過過濾系統(tǒng)級噪聲，混合信號FPGA能輕松地對這些測量值取平均。所使用的軟件工具一般也提供方便的圖形用戶接口 (GUI)，用戶可用它來設(shè)置平均或過濾因數(shù)。

　　在確定的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行

　　既然可以測量出系統(tǒng)內(nèi)某一位置的溫度，那么設(shè)計人員該如何使用這個信息呢？

　　大多數(shù)系統(tǒng)都應(yīng)在某些溫度范圍內(nèi)工作。因此，只有知道系統(tǒng)的這些工作溫度范圍，才能讓系統(tǒng)作出相應(yīng)的響應(yīng)。混合信號FPGA能輕松監(jiān)視平均溫度，并將其與用戶定義的溫度閾值比較，從而設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。而且，由于這種FPGA是可編程邏輯器件，因此可設(shè)置不同的閾值。

　　為說明這一點(diǎn)，我們舉個例子。假設(shè)用戶為一塊電信用的線路卡定義了三種工作溫度范圍：正常、偏熱、過熱。讀取的溫度將作為反饋信號去控制系統(tǒng)所需要的冷卻量。

　　當(dāng)平均溫度處于“正常”范圍，無需對系統(tǒng)進(jìn)行改變；這時系統(tǒng)工作在理想的條件下，并設(shè)置“正常”標(biāo)志。然而，某些內(nèi)部或外部因素可能對系統(tǒng)造成影響，致使工作溫度從“正常”范圍移進(jìn)“偏熱”范圍，此時，“正常”標(biāo)志將被清除，并設(shè)置“偏熱”標(biāo)志。雖然這個范圍按定義還是有效工作的溫度范圍，但系統(tǒng)正在接近有可能造成系統(tǒng)損壞的溫度。而且，如果此時冷卻系統(tǒng)過載或不正常，溫度將繼續(xù)升高，最后導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的線路卡損壞。智能熱管理系統(tǒng)就是用于防止這類事情發(fā)生。

　　系統(tǒng)現(xiàn)在開始采取修正措施。線路卡通知系統(tǒng)主控 (即混合信號FPGA)，告之系統(tǒng)溫度已升高。系統(tǒng)主控隨即提高冷卻系統(tǒng)的輸出，以抑制溫度的攀升；即冷卻系統(tǒng)應(yīng)提高輸出，使系統(tǒng)返回到“正常”溫度范圍，并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志。此外，擔(dān)任主控的混合信號FPGA還可將該熱事件及其發(fā)生的時間記錄到嵌入式的閃存中，供維護(hù)人員事后取用。

　　當(dāng)平均溫度從“偏熱”變成“過熱”，混合信號FPGA會采取更嚴(yán)重的措施，因為此時系統(tǒng)已處于極端的危險狀態(tài)。于是線路卡開始關(guān)閉程序，以防止損壞。線路卡此時可向主控發(fā)送信號，告訴主控已關(guān)閉程序。線路卡發(fā)生過熱的情況以及發(fā)生時間將保存到嵌入式閃存中，供事后調(diào)試和故障分析使用。而且，混合信號FPGA會關(guān)斷線路卡的電源，防止損壞。

　　結(jié)語

　　隨著尺寸越來越小、處理速度越來越快的器件大量用于各種應(yīng)用系統(tǒng)，熱管理在當(dāng)今許多設(shè)計中正在成為日益越重要的方面。采用混合信號FPGA，只需外接一些采用二極管接法的晶體管，就可測量一個系統(tǒng)板卡上許多位置的溫度?；旌闲盘朏PGA還能夠過濾噪聲信號，從而實現(xiàn)更精確的測量。由于采用了可編程邏輯器件，因此可以建立非常靈活的熱窗口 (即不同的溫度范圍)，并給每種窗口定義其獨(dú)有的系統(tǒng)響應(yīng)方式，包括對熱事件進(jìn)行簡單的時間標(biāo)記，以及關(guān)閉系統(tǒng)，以避免造成永久性熱損壞?；旌闲盘朏PGA可以簡單、低價的方式，將熱管理功能集成在全面的系統(tǒng)管理解決方案中。