硅传感器的安装注意事项及性能

硅温度传感器

硅传感器正成为电子系统中越来越重要的传感器。随着系统变得越来越复杂，越来越紧凑，越来越密集，运行速度越来越快，越来越热，监控临界温度变得越来越重要。传统的传感器技术，如热电偶，热敏电阻和RTD，现在正被硅传感器取代，易于集成和使用。许多传统传感器类型本质上是非线性的，需要信号调理（即补偿，查找表，激励电路等），以便将温度精确地转换为电可测量的数量，例如电压或电流。

信号调理注意事项，设计和电路的实际例子可参见研讨会笔记电力和热管理实用设计技术，另外，硅传感器具有线性，精确，低成本的特点，并且可以与放大器和任何其他所需的处理功能集成在同一IC上。硅传感器中的实际传感元件是简单的P-N晶体管结。常规P-N晶体管结上的电压具有约2mV /℃的固有温度依赖性，并且这一事实可用于开发温度测量系统。硅传感器是传感器行业标准的新产品，但半导体行业标准非常成熟。例如，AD590 1-μA/°C IC传感器是在20多年前推出的！

为了将温度变化与电流水平的影响分开并消除偏移，最常见的技术是基于测量在两个晶体管结上。通过以恒定的集电极电流密度比率 r 操作两个相同的晶体管，它们的基极 - 发射极电压之差将是（ kT / q ）（ln r ）。由于 k （玻尔兹曼常数）和 q （电子电荷）都是物理常数，因此产生的电压直接与绝对温度成正比。

ADI提供的温度监测产品，包含这种类型的温度传感，通常将其与其他功能集成在一起。例如，它可以与模数转换电路组合。图1显示了AD7415的框图;它包含温度感应电路，放大器和ADC，以及双线I 2 C接口。其他产品，例如模拟对话33-1中的ADM9240，包括许多附加功能，如电压监控和风扇速度监控，以及片上限制设置。

传感器安装注意事项 - 问题

虽然硅传感器是一种非常精确的温度传感器，但重要的是要记住它只能测量自身的结温，从而测量自己的结温。 死亡温度。如果人们只想监测外壳内的近似区域温度或环境温度（并且对流和传导条件足够），那就没问题了。但是，如果必须监控热源或计算机芯片内的局部温度，例如奔腾® III CPU或高性能图形芯片，则会受到更多威胁，情况就是如此不那么直截了当为了准确测量热源的温度，传感器必须靠近光源本身。传感器和热源之间的热阻累积将导致测量误差和不确定性。在许多情况下，为了获得准确的温度测量而需要解决的物理安装问题可能根本无法解决，导致降额和次优性能。

例如，如果IC温度传感器必须是安装在电路板上的，它们不太可能与被监测物体的“热点”紧密物理接触。有可能通过微型的两个和三个终端设备解决安装困难，但使用多引线封装几乎是不可能的。

偏移校准？

一种方法可能是添加精心选择的偏移量以解决传感器和热源之间的温差。通过将显示的温度与实际温度进行比较，可以在系统表征期间导出所需的偏移。由于室温下所需的偏移几乎肯定会与高温下所需的偏移量不同，因此简单的偏移寄存器通常是不够的。查找表方法是解决问题的一种方法。对于固定系统，这种方法可能是有效的，尽管不实用，但是当系统配置发生变化时，查找表会有所不同。

例如，考虑通过尽可能靠近CPU放置温度传感器来测量主板上CPU的温度。传感器很可能距离热源（CPU）至少1厘米。通过两者之间的板材料的路径的热阻非常高，并且气流（即，如果从源朝向传感器引导的对流或风扇驱动的流动）是热量传递到传感结的主要方式。 。单独的对流很容易受到干扰 - 例如，通过向系统添加另一张卡 - 导致测量不准确。风扇驱动的流动具有冷却的优点，但会使对流电流失真并导致CPU芯片内局部温度的测量非常不准确。

理想的解决方案是将传感器和相关的调节电路集成在一起。 CPU死自己。这种集成将保证准确的温度感测，因为传感器将与热源紧密物理以及热接近。不幸的是，用于构建当今高性能CPU的技术与用于构建高精度温度传感器和相关放大电路的技术不兼容。

答案：直接感知CPU

解决问题的最佳方法是在热点附近的CPU芯片上提供PN结感应 - 然后使用外部调理IC来完成剩下的工作。这种方法可以直接测量CPU温度而没有任何不确定性。最新的Intel Pentium ® II和Pentium ® III CPU包含一个片上热敏二极管监视器（TDM），以实现这一目标。在Slot 1 CPU上，两个引脚THERMDP和THERMDN提供对片内二极管的访问。为了提供信号调理并将微小电压变化转换为数字形式的可测量结果，ADI公司的新一代产品ADM102x系列提供所需的调理和转换电路。

TDM到数字 - 一种新方法

现在的诀窍是将由于温度引起的微小电压变化转换为真正可测量的信号并将其数字化。低信号电平本身会造成一个困难的仪表问题，但电路必须工作的嘈杂环境使其更加复杂。想象一下你是否会在数字计算机芯片内的电气环境！信号很容易被噪声淹没，使得无法恢复信号。此外，从一个单元到另一个单元的制造变化导致结的响应差异。我们现在将讨论该技术如何工作，如何与更传统的技术进行比较以及如何从中提取最佳性能。

解决方案

首先，对于在给定的电流水平下，二极管的绝对正向压降在CPU制造过程中得不到很好的控制。此外，由于电压取决于绝对（即开尔文）温度，因此正向电压值比每1°C温度变化的值变化大许多倍。因此，最重要的要求是在发生任何放大之前从等式中去除二极管电压的绝对值。

单个器件校准是一种选择，但不是实用的。相反，使用与上述双晶体管方法相当的技术，除了电流密度（每单位面积的电流）r的比率取决于改变同一二极管中的电流而不是使用两个二极管的不同区域。电流相等。这种称为“delta-V BE 校准”的技术强制通过热二极管结的两个不同电平，并测量正向电压的变化。可以将第一电流视为校准电流，并且确定结的V BE 正向电压值。然后用第二电流再次测量V BE 值。 V BE 的变化或差异与绝对温度成比例。它与结的正向电压或由于制造变化引起的其他差异无关。

V BE = （kT / q） ln （Ic / 是）

由于 I S 是晶体管的属性，对于任何一个电流都不变，

V BE1 - V BE2 =Δ V BE =（ kT / q ）ln（ I / NI ）=（ kT / q ）ln（1 / N ）

由于 N ， k 和 q 都是已知的常量，

T =（常数）（Δ V BE ）

Δ V 的输出BE 传感器的变化约为2.2 mV /°C。该信号需要调节和放大实际Δ V BE 传感器显示为衬底晶体管，因为实际上这是片上结的情况。它同样可以是分立晶体管。如果使用分立晶体管，则集电极不会接地，应与基极连接。为防止接地噪声干扰测量，传感器的负极端子不以地为参考，而是通过D-输入端的内部二极管偏置到地面以上。要测量Δ V BE ，传感器在 I 和 N × I的工作电流之间切换

滤波和放大

产生的波形通过65 kHz低通滤波器去除噪声，然后通过斩波稳定放大器，执行放大和整流波形的功能产生与Δ V BE 成比例的直流电压。该电压由ADC测量，以8位二进制补码格式提供温度输出。为了进一步降低噪声的影响，进行了16次测量，结果取平均值，然后在输出端提供平均结果。

那么TDM方法在实践中有多好？

将TDM测量与更传统的热敏电阻方法进行比较是很有意思的。以下示例将使用热敏电阻和TDM通道获得的结果进行比较，以测量插槽1盒中333 MHz Pentium ® II的温度。热敏电阻与盒式散热器直接物理接触。 TDM通道使用片上二极管和ADM1021（具有与上述类似的电路）来提供信号调理。

除了更准确之外，它不会受到热滞后的影响。虽然与散热器的接触优于甚至没有进行接触的早期方法，但它仍然表现出主要缺点。从图4c中可以看出，热敏电阻滞后完全错过了许多热事件，因为它的响应时间很慢。图4a显示了上电事件，而图4b显示了上电。超过30°C（代表墨盒温度而不是实际芯片温度）的误差是显而易见的。

更重要的是图4c，其中CPU循环进入和退出挂起模式。热敏电阻完全错过了这些20°C的热事件。很容易看出在由于故障情况导致温度快速上升的情况下如何保护系统失败。所有图还显示了随着温度升高TDM和热敏电阻之间的偏移误差（由于封装温度下降）。偏移可以通过系统校准来处理，但是没有人可以做任何补偿热滞后的事情。实际上，如果采用额外的系统冷却，TDM和热敏电阻之间的误差仍会更大。

使用离散晶体管进行TDM

因此，如果将传感二极管集成到正在测量温度的CPU的芯片上，则TDM方法非常有效。如何使用这种方法测量没有片上TDM的温度，或测量IC以外的热源温度？ Δ V BE TDM方法也可以与独立的分立晶体管一起使用。任何NPN或PNP通用晶体管，例如2N3904或2N3906，都可以用作远程传感器。使用分立晶体管，将基极连接到集电极，形成2端子器件。晶体管是良好的温度传感器，因为它们具有较低的热质量并且易于安装。

如果晶体管传感结距离很远（> 6英尺）并且在嘈杂的环境中使用，保护信号完整性和防止干扰的最佳方法是使用双绞屏蔽电缆。最大电缆长度受电缆电容和串联电阻的限制。 D +和D-之间的电容会导致建立时间误差，因为在转换之前，开关电流需要完全稳定。

嘈杂环境中的TDM

在使用热二极管感应技术时，特别是在嘈杂的环境中，遵守一些指导是非常重要的。 PC环境本身就很嘈杂，并且随着PC变得越来越快而越来越嘈杂。随着CPU速度降至1 GHz，EMC噪声变得更加令人头痛。高速图形端口（AGP），高速随机存取存储器和高速磁盘访问意味着噪声有很多机会和路径耦合到敏感的模拟电路中。 TDM是一种非常敏感的方法。驱动热二极管的电路由高阻抗，低电平电流源组成。为了防止干扰，如果附近有高频噪声源，TDM线路应尽可能短，并屏蔽。

ADM1021上的附加功能

除了ADM1021是TDM通道，包括一个用于本地或环境温度监控的片上晶体管。可编程转换速率（从每16秒1次转换到每秒8次转换）有助于实现高更新速率，必须记录快速温度变化。如果不需要快速更新，则可以使用较低的更新速率来节省功耗。

ADM1021还包含四个限制寄存器，用于存储本地和远程，高温和低温限制。功能框图如图7所示。使用ADM1021的典型系统配置如图8所示。

TDM CPU监控有助于实现最佳散热

图9显示了真实笔记本电脑的散热曲线。这显示了芯片上的温度如何升高监控实用程序开始运行后（在开机和Windows启动后）在计算机环境中。有趣的是要注意CPU和内部环境的运行速度。 BIOS将CPU温度限制设置为92°C。达到此温度后，风扇将打开并保持打开状态，直至温度降至82°C以下。由于ADM1021均设置了上限和下限，因此风扇可将CPU温度控制在82°C至92°C之间。温度将在这两个水平之间振荡。如果风扇发生故障，温度上限会在系统损坏时关闭系统。值得注意的是，环境温度也会达到非常高的温度，比CPU温度低大约10℃，在笔记本电脑外壳内。

这个例子说明了TDM技术在CPU温度管理中的重要性。在采用这种技术之前，不可能通过持续冷却系统来从CPU中提取如此高的性能水平而不会过热或过度浪费电池寿命。