寬量程溫度檢測IC

摘要：利用遠程溫度傳感器監測高性能微處理器和圖象處理器的管芯溫度現已成為一種很普通的技術，被用于系統的功率和熱量等工況的管理。隨著時鐘速度、電路密度和功率水平的提升，管芯工作溫度可能會超出常規溫度傳感器的量程極限。Maxim的新型溫度傳感器能夠測量已超出老器件量程的溫度。本文主要討論這種寬量程的溫度傳感器以及其理論和應用。

在高速、高性能集成電路如微處理器、圖象處理器和FPGA的管芯溫度監測中，利用外部雙極型晶體管作為敏感元件的數字式遠程溫度傳感器已得到廣泛的采用。在這些系統中，要獲取最佳性能，同時又避免系統發生災難性故障，精確的溫度監測是關鍵。系統根據溫度監視器的測量結果執行風扇控制和時鐘扼制等功能，保持高性能IC工作在安全溫度范圍以內。在更高溫度時，還可用它來關斷系統以免發生故障。隨著性能和功率水平的提升，遠程溫度監視功能變得更加重要，也更難實現。

實際上，所有的常規數字溫度傳感器IC的測溫上限均小于128°C，很多被限制在100°C以內。很多情況下，這個常規測溫范圍是足夠的。然而，有些時候測量高達150°C的溫度非常重要。在此情況下，就需要寬量程的溫度傳感器了。

擴展測量溫度

典型數字溫度傳感器IC用一個符號位和七個數值位表示溫度，一個LSB對應于1°C，一個MSB對應于64°C。盡管有些數字傳感器有更多位來表示更高分辨率的溫度，但64°C的MSB將最高測量溫度限制在128°C以內。寬量程的溫度傳感器能夠測量的溫度遠高于這個128°C—通?？蛇_150°C。實現這一任務最方便的方法就是將MSB的權重設置為128°C。這種情況下，溫度數據的范圍將擴展至255°C，遠遠超過了可用范圍，因為不大可能遭遇127°C以上的溫度。由于用來測溫的半導體結的局限性，在所測溫度超過約150°C時精度下降很快。

一些大功率芯片的最高工作溫度依賴于時鐘速度、工藝、器件封裝和其它各種設計因素。通常，信號的完整性隨著溫度的升高而變差，直至電路不再滿足規范要求。在許多CPU和圖象處理器中，這種情況發生在100°C左右，但在一些高性能電路中，正常工作條件可延伸至145°C。如果器件在更寬的溫度范圍內仍能正常工作，為保證其工作在安全范圍內，精確的溫度測量非常重要。由于此溫度范圍的上限已接近晶片的極限溫度條件，為避免器件失效和由此而導致的系統關斷，溫度監視就更加關系重大(圖1)。


圖1. 寬量程遠程溫度傳感器能夠監視高性能器件的整個工作范圍。

在一些高性能處理器中，由于熱敏二極管的物理機制，所測溫度中有一個“偏移”。也就是說，所測得的溫度將比實際溫度高出許多。在這種情況下，溫度傳感器需要測量比正常工作范圍高得多的“視在”溫度。盡管所測得的溫度為150°C或更高，二極管的真實溫度可能仍然在處理器的正常工作溫度范圍內。

遠程溫度監測的基本原理

利用遠程感溫二極管測量溫度的最普通的辦法，是以兩種不同的電流驅動二極管，一般電流比為10:1 (這個二極管并不是象1N4001那樣的兩引線器件，而是一個連接為二極管方式的雙極型晶體管。兩引線二極管的理想因子與遠程二極管溫度傳感器不兼容)。測出二極管在兩種不同電流水平下的電壓，然后由下式可計算出溫度：



其中：
IH是較高的二極管偏置電流
IL是較低的二極管偏置電流
VH是IH產生的二極管電壓
VL是IL產生的二極管電壓
n是二極管的理想因子
k是玻耳茲曼常數(1.38 x 10-23joules/°K)
T是絕對溫度，單位為°K
q 是一個電子的電量(1.60 x 10-19°C)
若= 10，則上式可簡化為：



其中“n”稱為理想因子，與工藝有關。對絕大多數晶體管，其值十分接近1.0。例如，Pentium® III微處理器的理想因子約為1.008，而Pentium IV微處理器約為1.002。遠程二極管溫度傳感器產生有精確比率關系的兩種電流，測量所產生的電壓，然后對所測電壓通過比例調整和電平轉移得到溫度數據。內部模數轉換器(ADC)必須在存有相當高共模的條件下精確測量小電壓；1°C的溫度變化量對應于大約200µV。