采用混合信號FPGA實現智能化熱管理

引言

　　傳統上，人們一直采用熱敏電阻、熱耦或分離式溫度測量芯片來測量系統溫度。而且，隨著系統速度越來越快，系統的相對尺寸越來越小，溫度測量也變得越來越重要。

　　然而，若需要測量板卡上多個測試點的溫度，這些器件的成本會迅速增加。這反過來產生了對高效、緊湊及低價的溫度測量方法的迫切需求，其應用范圍遍及高速計算機、電信網絡交換設備以及工業溫度控制，諸如便攜式電子產品、生物醫學器件、電機控制以及汽車電子。

　　由于及時和準確地修正溫度在許多應用中都非常關鍵，當今的智能系統都采用了冷卻系統，并根據系統內部情況平衡其運作。這類系統還有其它優點，即可使用板卡上的測溫二極管 (或采用二極管接法的晶體管) 跟蹤和測量特定器件的溫度。這樣，當出現溫度異常時，就能提示系統的運行情況，指出部件當前運行不正確。而智能系統此時就可作出響應，采取修正措施，并/或向系統管理部分給出超界報警。

　　除了完成其它系統管理任務外，當今的混合信號FPGA也是一種智能熱管理系統，可讓設計人員以低成本輕松、準確地測量多個位置的溫度。

　　使用混合信號FPGA檢查和測量電壓

　　在研究恒流下二極管絕對溫度與其正向電壓間的關系時，二極管正向壓降隨溫度的變化大約為2mV/C。為提高測量精度，并排除不同二極管間的差異因素，要利用兩個已知的電流值及測量值的比率數據。圖1所示為溫度對二極管電壓和電流的影響。

　　該測量值由如下方程表示：

T =DV * q / (n * k * ln(IH / IL) (1)

　　其中，T=絕對溫度，DV=二極管在高電流和低電流下的電壓差，q=1.602×10-19 庫侖 (一個電子的電荷量)，n=1(理想因子，這里假定為1)，k=1.38×10-23 J/K(波爾茲曼常數)，IH = 高電流強度，IL=低電流強度。

　　本文采用Actel的混合信號Fusion PSC (可編程系統芯片) 在真實世界的應用來作為案例進行說明。該混合信號FPGA將提供兩個已知 (100mA 和 10mA) 的電流源 (見圖2)，并通過內置的模數轉換器(ADC) 測量電壓差。假定二極管處于室溫，檢定電壓差值DV。

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從方程 (1) 中解出將要送到ADC的轉換電壓，即如下的方程 (2)；進而得到混合信號FPGA所測量出的電壓值。

DV = T * n * k * ln(IH / IL) / q (2)

DV = 298 * 1 * (1.38x10-23 J/K) * ln(10) / (1.602x10-19C)

DV = 298 * 0.00019835 = 59 mV