申矽凌实现超高温远端温度测量校准方案 有效扩大温度测量范围

在电子技术领域，有许多场合需要监测温度，以达到温度监控、过温报警及自适应调节等目的。例如监控中央处理器（CPU）、图形处理器（GPU）及FPGA等芯片温度，当某颗芯片温度超界时，通过启动风扇、降低工作频率等手段降低温度，防止温度过高带来的系统损坏及风险。

常见的远端温度测量方案中，测量远端温度使用分立的双极型晶体管如2N3904 NPN、2N3906 PNP，也可以使用集成在处理器，如CPU、GPU中的寄生双极型晶体管。经过测试发现，使用分立晶体管作为远端感温元件，当温度高于150℃时，由于半导体物理特性的变异，温度测量误差急剧增大使得测量失效。

测温芯片使用的温度范围通常为（-40℃至125℃），当需要测量更高的温度时，需使用铂电阻、热电偶等测温方案。铂电阻工作范围为（-200℃至850℃），然而，由于铂电阻元件昂贵且其输出为模拟电压，需要通过额外ADC转换才能得到温度值，因此不便于使用且代价较高。而热电偶工作范围为（-250℃至1800℃），但其需要冷端补偿，使得系统复杂度增加。

为此，申矽凌在2019年11月21日申请了一项名为“超高温远端温度测量校准方法、测量校准电路及介质”的发明专利（申请号：201911149359.4），申请人为上海申矽凌微电子科技有限公司。

根据该专利目前公开的相关资料，让我们一起来看看这项技术方案吧。

如上图，为该专利中发明的使用分立晶体管的温度测量电路，该测量电路包括测温芯片140，被测芯片150和分立晶体管130。为了精确监测被测芯片的芯片温度，分立晶体管必须尽可能靠近被测芯片放置。分立晶体管的型号为2N3904或2N3906，将其集电极和基极短接，可以等效为二极管，其基极-发射极电压VBE与偏置电流存在确定的对数关系。

分立晶体管与测温芯片之间电器连接，测温芯片主要由高温校准模块280构成。高温校准模块能够采用分段式的非线性校准方法，依次按温度高低设置N个温度节点T1、T2…TN。分别在各个温度区间内采用不同的校准方案、依据不同的修正公式进行误差修正。

此外，该装置中还包括有二阶ADC模块180，二阶ADC模块包括调制器181、数字滤波182以及数字抽取183。调制器、数字滤波以及数字抽取沿信号传递方向依次设置。二阶ADC模块产生的数据通过高温校准模块280补偿，产生最终的温度数据，用户可通过通用数字总线如I2C/SMBus读取十进制温度值。

利用上述装置，该发明中还提供了一种超高温远端温度测量校准方法，利用集电极和基极短接的分立晶体管，包括测量步骤和输出转换步骤。在进行温度测量时，将所述分立晶体管设置在被测芯片上，使用两个不同电流值激励分立晶体管。分别记录在第一电流激励、第二电流激励下的第一晶体管偏置电流I1、第二晶体管偏置电流I1，并将第二晶体管偏置电流与第一晶体管偏置电流I1的比值记为M。

分立晶体管作为温度感应元件，当被测芯片温度发生变化时，分立晶体管的基极-发射极电极会发生变化。通过测温芯片检测基极-发射极电压，即可监测被测芯片温度。

如上图，为未使用（左侧）和使用了（右侧）高温校准模块前远端温度的测量结果对比图像。在温度高于160℃时，由于分立晶体管半导体特理特性的变化，具有较大测量误差；而经过高温校准模块后，在160℃-190℃区间内，远端温度测量线性度得到极大提升。

而除了直观的温度测量结果外，该方案中还展示了测量的误差曲线图。如上图所示，为未使用（左侧）和使用了（右侧）高温校准模块前测量远端温度测量的原始误差结果对比图像。当温度高于160℃时，由于分立晶体管半导体特理特性的变化，未经过高温校准前，（160℃至190℃）误差为（+1℃至-16℃）。经过高温校准后，（160℃至190℃）误差为（-0 .5℃至2℃），因此能满足绝大多数测温应用。

以上就是申矽凌发明的超高温远端温度测量校准方案，该方案相较于传统的远端测温方案，最大的优点是扩大了温度测量范围，不需要使用昂贵的铂电阻和复杂的热电偶，只利用单片CMOS芯片和分立晶体管即可测量高达190℃温度。不仅能够降低系统成本，而且可以扩大该技术方案的应用范围。