葉云燕

    本文主要針對新型數(shù)字式寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器的問世、特點(diǎn)及應(yīng)用作分折并與常規(guī)遠(yuǎn)程溫度傳感器作比較。

    寬量程的溫度傳感器的問世

    利用遠(yuǎn)程溫度傳感器監(jiān)測高性能微處理器和圖象處理器的管芯溫度現(xiàn)己成為—種很普通的技術(shù)，它用于系統(tǒng)的功率和熱量等工況的管理。隨著時鐘速度、電路密度和功率水平的提升，管芯工作溫度可能會超出常規(guī)溫度傳感器的量程限。新型溫度傳感器檢測范圍已超出舊式器件量程的溫度。本文就這種寬量程的溫度傳感器以及其理論和應(yīng)用作分折說明。

    高速、高性能集成電路IC，如微處理器、圖象處理器和FPGA的管芯溫度監(jiān)測中，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，同時又避免系統(tǒng)發(fā)生災(zāi)難性故障，精確的溫度監(jiān)測是關(guān)鍵。系統(tǒng)根據(jù)溫度監(jiān)視群的測量結(jié)果執(zhí)行風(fēng)扇控制和時鐘扼制等功能，保持高性能IC工作在安全溫度范圍以內(nèi)。在更高溫度時，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，則遠(yuǎn)程溫度監(jiān)視功能變得更加重要，但也更難實(shí)現(xiàn)。

    實(shí)際上，所有的常規(guī)數(shù)字溫度傳感器IC的測溫上限均小于128℃，很多被限制在100℃以內(nèi)。很多情況下，這個常規(guī)測溫范圍是足夠的。然而，有些時候測量高達(dá)150℃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。

    寬量程的溫度傳感器擴(kuò)展測量溫度

    典型數(shù)字溫度傳感器IC用一個符號位和七個數(shù)值位表示溫度，一個LSB(最小有效位)對應(yīng)于1℃，一個MSB(最大有效位)對應(yīng)于64℃。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℃的MSB將最高測量溫度限制在128℃以內(nèi)。

    寬量程的溫度傳感器能夠測量的溫度遠(yuǎn)高于這個128℃，通常可達(dá)150℃。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℃。這種情況下，溫度數(shù)據(jù)的范圍將擴(kuò)展全255℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了可用范圍，因?yàn)椴淮罂赡茉庥?27℃以上的溫度。由于用來測溫的半導(dǎo)體結(jié)的局限性，在所測溫度超過約150℃時精度下降很快。

    一些大功率芯片的最高工作溫度依賴于時鐘速度、工藝、器件封裝和其它各種設(shè)計(jì)因素。通常，信號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℃左右，但在—些高性能電路中，正常工作條件可延伸至145℃。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，見圖1所示。從圖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工作范圍中可以看出，它與常規(guī)典型的溫度傳感器檢測工作范圍之區(qū)別，即當(dāng)被測器件溫度在127℃-150℃范圍時，則常規(guī)典型的溫度傳感器己無法檢測數(shù)據(jù)，而寬量程遠(yuǎn)程溫度傳感器仍能檢測數(shù)據(jù)。

    在—些高性能處理器中，由于熱敏二極管的物理機(jī)制，所測溫度中有一個“偏移”。也就是說，所測得的溫度將比實(shí)際溫度高出許多。在這種情況下，溫度傳感器需要測量比正常工作范圍高得多的“視在”溫度。盡管所測得的溫度為150℃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)測的基本原理

    為此先說明一下遠(yuǎn)程傳感器基本原理。

    遠(yuǎn)程傳感器可測量遠(yuǎn)端的PN結(jié)(或稱熱二極管)溫度，遠(yuǎn)端結(jié)(熱二極管)可以是一個分立的晶體管(見圖2左邊框內(nèi)所或是高功率IC的—部分，例如高速微處理器(uP)。這種方法可以直接測量IC管芯的溫度，后者可能在一些非常情況下出現(xiàn)散熱問題，如氣流被阻斷。遠(yuǎn)端結(jié)溫傳感器在很多系統(tǒng)中被用此種目的。它們采用兩種不同電流驅(qū)動敏感結(jié)，并測量兩種情況下的電壓。而兩種電流所產(chǎn)生的正向壓降之差正比于敏感結(jié)的絕對溫度。

    利用遠(yuǎn)程感溫二極管，(圖2中MAX6646器件引腳DXP與DXN為遠(yuǎn)程感溫二極管的“+”極與“-”極引線)測量溫度的最普通的辦法，是以兩種不同的電流驅(qū)動二極