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温度问题为您解决(三)高性能处理器模温监测

2019-08-29
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上一篇文章中,我们已经就如何监测电路板温度进行了介绍。但是,诸如中央处理单元 (CPU)、图形处理单元 (GPU)、专用集成电路 (ASIC) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 之类的高性能处理器中的电源管理通常更复杂。通过温度监测,这些系统不仅可以启动安全系统关闭程序,还可以利用温度数据来动态调整性能。


监测过程温度可以提高系统可靠性并最大限度提升性能。如下图所示,高性能处理器通常使用散热器吸收管芯中的过多热量。较高的温度可能会激活散热风扇,修改系统时钟,或者在处理器超过其温度阈值时快速关闭系统。


搭载高性能处理器的主板通常需要散热器


管芯温度监测的设计注意事项

为了实现高效的温度监测,高性能处理器有两个设计注意事项:温度精度和传感器放置。处理器的温度精度直接与传感器位置相关。


通过高精度温度监测提高系统性能


如上图所示,通过高精度的温度监测,可以最大限度提高处理器性能,从而将系统推动到其温度设计极限。虽然大多数集成电路都有内置的温度传感器,但由于晶圆和其他各批次之间的差异,这些传感器的精度并不一致。另外,必须根据基准来调理处理器,从而调整相对于管芯温度的系数。高性能处理器本身具有复杂的电路并会引起自发热,因此会产生随温度增加的温度误差。如果设计的系统具有较低精度和温度误差,系统的性能将无法在其温度设计极限内达到最大化。


传感器放置和精度

集成的温度传感器或温度二极管或外部温度传感器可以监测处理器的热性能。在某些情况下,同时使用内部和外部传感器可以最大化系统性能并提高可靠性。


双极结晶体管集成温度传感器

一些高性能处理器包含用于温度传感的双极结型晶体管 (BJT)。BJT 具有取决于温度且可预测性极高的传递函数。远程温度传感器使用此原理来测量管芯温度。在互补金属氧化物半导体工艺中最常见的 BJT 是 P 沟道 N 沟道 P 沟道 (PNP)。下图显示了一个用于测量 PNP 晶体管连接配置的远程温度监测电路。
用两个电流测量基极-发射极电压变化 (ΔVBE)


由于晶圆和不同批次之间的差异引起的噪声和误差,设计远程温度监测系统的过程可能充满挑战。温度二极管误差可能由以下原因引起:
• 理想因子变化。BJT 温度二极管的特性取决于工艺几何因素和其他工艺变量。如果知道理想因子 n,则可以使用 n 因子寄存器来校正 n 因子误差。或者,可以使用软件校准方法来校正所需温度范围内的理想因子变化。


• 串联电阻。由于电流源,信号路径中的任何电阻都将引起电压失调。现代远程温度传感器采用串联电阻算法,可消除由高达 1-2kΩ 的电阻引起的温度误差。即使与电阻-电容滤波器结合使用,该算法也能实现稳健、精确的测量结果。
• 噪声注入。当二极管走线与承载高电流的高频信号线并行排布时,耦合到远端印刷电路板走线中的电磁干扰或电感可能导致误差。这是远程温度传感器最重要的电路板设计注意事项之一。
• Beta 补偿。集成到 FPGA 或处理器中的温度晶体管的 Beta 值可能小于 1。具有 Beta 补偿的远程温度传感器专门设计用于与这些晶体管结合使用并校正与它们相关的温度测量误差。与分立式晶体管一起使用时,Beta 补偿特性不会带来任何好处。


器件建议

TMP421 提供单个通道来监测 BJT;也有多通道远程温度传感器支持多达八个通道,可在本地和远程测量温度。

TMP451 在本地和远程均可提供高精度 (0.0625°C) 温度测量。服务器、笔记本电脑和汽车传感器融合应用可受益于多通道远程传感器。


外部温度传感器

虽然内置温度传感器位置最佳,但其精度低至 ±5°C。添加外部本地温度传感器可以提高管芯温度精度并提升系统性能。当集成的管芯温度传感器不可用时,也可以使用本地温度传感器。然而,对于本地温度传感器,传感器位置是重要的设计注意事项。下图显示了放置本地温度传感器的一些选项:位置 a、b 和 c。


通过放置传感器实现高性能处理器温度监测


• 位置 a。位于微处理器散热器中心钻孔中的传感器与管芯非常靠近。散热器可以夹持到处理器上,或者用环氧树脂贴附到处理器顶部。此位置的温度传感器通常需要较长的引线,而随着散热器到微处理器之间的导热性能逐渐下降,传感器数据将变得不正确。
• 位置 b。另一个放置传感器的潜在位置是在处理器插座下方的空腔中,此处的组装非常简单直接。鉴于传感器与气流隔离,环境温度对传感器读数的影响极小。此外,如果散热器与处理器分离,传感器将显示处理器温度升高。尽管如此,如果采用这种传感器放置方式,传感器和处理器之间的温差可能在 5°C 到 10°C 之间。
• 位置 c。传感器可以安装在微处理器单元 (MPU) 旁边的电路板上。虽然这种安装方式易于实施,但传感器温度与 MPU 温度之间的相关性要弱得多。


器件建议

占位尺寸是选择本地温度传感器时需要考虑的一个因素。TMP112 采用 1.6mm x 1.6mm 封装,可以靠近处理器使用。与集成在处理器内部的温度传感器通常只有 5°C 至 20°C 的精度相比,TMP112 器件的 0.5°C 精度可以最大限度提高性能。


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