如何在集成系統(tǒng)中測(cè)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(cè)量溫度以及驅(qū)動(dòng)如風(fēng)扇、液體冷卻系統(tǒng)和時(shí)鐘節(jié)流(clock throttling)等冷卻機(jī)制。

溫度測(cè)量得越準(zhǔn)確，就越能驅(qū)動(dòng)精細(xì)調(diào)節(jié)冷卻機(jī)制。這有益于省電(對(duì)于驅(qū)動(dòng)冷卻機(jī)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(jìn)行溫度測(cè)量的方法。這些方法的實(shí)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(cè)量電壓從而測(cè)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(zhǔn)確測(cè)量溫度，必須知道流入器件的電流，器件上測(cè)量的電壓必須非常準(zhǔn)確。

使用熱偶和熱敏電阻電路測(cè)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(cè)量，它們可測(cè)量的精度受到限制。

稍微復(fù)雜一些但十分常見的測(cè)量溫度的方法是利用二極管相對(duì)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(cè)量VF的一個(gè)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(cè)。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(duì)數(shù)特性，如果VF在兩個(gè)獨(dú)立溫度下測(cè)量，兩次測(cè)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(dāng)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(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)常常對(duì)電壓進(jìn)行估計(jì)。

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(shí)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(cè)以達(dá)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(duì)于PNP型器件是VEB)代替VF，以及以IC代替IF的晶體管。

對(duì)于一級(jí)操作，方程式5(見附錄)顯示了所測(cè)量的對(duì)探險(xiǎn)測(cè)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(jìn)行測(cè)量，然后采用數(shù)個(gè)通信協(xié)議發(fā)射至微控制器。

在對(duì)這么小的電壓的測(cè)量中的任何誤差，都會(huì)給最終測(cè)量的溫度造成很大影響。有4個(gè)主要誤差源將影響ΔVBE數(shù)值，并最終影響報(bào)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(cè)量，增加了由用于測(cè)量溫度的絕對(duì)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(duì)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(gè)基于晶體管結(jié)構(gòu)的物理特性。對(duì)于任何特定器件而言，該值是一常數(shù)，雖然對(duì)于不同器件有所變化。當(dāng)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(shí)，它就會(huì)造成誤差。在方程式5中，溫度測(cè)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(gè)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(duì)值進(jìn)行量化。VBE測(cè)量通常在特定的頻率進(jìn)行，并通過一個(gè)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(huì)產(chǎn)生DC偏移。由于A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)VBE測(cè)量的DC值進(jìn)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(cè)量中產(chǎn)生偏移。噪聲誤差的大小由注入的噪聲以及測(cè)量電路的濾波能力所決定。

最后一個(gè)誤差源是由于大多數(shù)測(cè)量二極管在實(shí)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(dāng)使用連接至晶體管或襯底VBE結(jié)的二極管時(shí)，被驅(qū)動(dòng)流入二極管的電流，和被設(shè)為一個(gè)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(huì)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(duì)值不重要，也不造成測(cè)量誤差。重要的是在工藝變化或工作條件變化時(shí)，beta不是一個(gè)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(cè)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(duì)數(shù)的每兩項(xiàng)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(jí)，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(dá)35%。

圖5 溫度誤差與Beta變化

由于每種誤差源是獨(dú)立的，每種都必須單獨(dú)解決以糾正所測(cè)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(cè)溫度中很大的誤差。這一誤差要求熱測(cè)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(cè)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