高性能處理器的高精度溫度監(jiān)測提高系統(tǒng)性能

在溫度傳感基本原理中我們已經(jīng)就如何監(jiān)測電路板溫度進行了介紹。但是，諸如中央處理單元 （CPU）、圖形處理單元 （GPU）、專用集成電路 （ASIC） 和現(xiàn)場可編程門陣列 （FPGA） 之類的高性能處理器中的電源管理通常更復雜。通過溫度監(jiān)測，這些系統(tǒng)不僅可以啟動安全系統(tǒng)關(guān)閉程序，還可以利用溫度數(shù)據(jù)來動態(tài)調(diào)整性能。

監(jiān)測過程溫度可以提高系統(tǒng)可靠性并最大限度提升性能。如下圖所示，高性能處理器通常使用散熱器吸收管芯中的過多熱量。較高的溫度可能會激活散熱風扇，修改系統(tǒng)時鐘，或者在處理器超過其溫度閾值時快速關(guān)閉系統(tǒng)。

搭載高性能處理器的主板通常需要散熱器

管芯溫度監(jiān)測的設計注意事項

為了實現(xiàn)高效的溫度監(jiān)測，高性能處理器有兩個設計注意事項：溫度精度和傳感器放置。處理器的溫度精度直接與傳感器位置相關(guān)。

通過高精度溫度監(jiān)測提高系統(tǒng)性能

如上圖所示，通過高精度的溫度監(jiān)測，可以最大限度提高處理器性能，從而將系統(tǒng)推動到其溫度設計極限。雖然大多數(shù)集成電路都有內(nèi)置的溫度傳感器，但由于晶圓和其他各批次之間的差異，這些傳感器的精度并不一致。另外，必須根據(jù)基準來調(diào)理處理器，從而調(diào)整相對于管芯溫度的系數(shù)。高性能處理器本身具有復雜的電路并會引起自發(fā)熱，因此會產(chǎn)生隨溫度增加的溫度誤差。如果設計的系統(tǒng)具有較低精度和溫度誤差，系統(tǒng)的性能將無法在其溫度設計極限內(nèi)達到最大化。

傳感器放置和精度

集成的溫度傳感器或溫度二極管或外部溫度傳感器可以監(jiān)測處理器的熱性能。在某些情況下，同時使用內(nèi)部和外部傳感器可以最大化系統(tǒng)性能并提高可靠性。

雙極結(jié)晶體管集成溫度傳感器

一些高性能處理器包含用于溫度傳感的雙極結(jié)型晶體管 （BJT）。BJT 具有取決于溫度且可預測性極高的傳遞函數(shù)。遠程溫度傳感器使用此原理來測量管芯溫度。在互補金屬氧化物半導體工藝中最常見的 BJT 是 P 溝道 N 溝道 P 溝道 （PNP）。下圖顯示了一個用于測量 PNP 晶體管連接配置的遠程溫度監(jiān)測電路。

用兩個電流測量基極-發(fā)射極電壓變化 （ΔVBE）

由于晶圓和不同批次之間的差異引起的噪聲和誤差，設計遠程溫度監(jiān)測系統(tǒng)的過程可能充滿挑戰(zhàn)。溫度二極管誤差可能由以下原因引起：

? 理想因子變化。BJT 溫度二極管的特性取決于工藝幾何因素和其他工藝變量。如果知道理想因子 n，則可以使用 n 因子寄存器來校正 n 因子誤差?；蛘?，可以使用軟件校準方法來校正所需溫度范圍內(nèi)的理想因子變化。

? 串聯(lián)電阻。由于電流源，信號路徑中的任何電阻都將引起電壓失調(diào)。現(xiàn)代遠程溫度傳感器采用串聯(lián)電阻算法，可消除由高達 1-2kΩ 的電阻引起的溫度誤差。即使與電阻-電容濾波器結(jié)合使用，該算法也能實現(xiàn)穩(wěn)健、精確的測量結(jié)果。

? 噪聲注入。當二極管走線與承載高電流的高頻信號線并行排布時，耦合到遠端印刷電路板走線中的電磁干擾或電感可能導致誤差。這是遠程溫度傳感器最重要的電路板設計注意事項之一。

? Beta 補償。集成到 FPGA 或處理器中的溫度晶體管的 Beta 值可能小于 1。具有 Beta 補償?shù)倪h程溫度傳感器專門設計用于與這些晶體管結(jié)合使用并校正與它們相關(guān)的溫度測量誤差。與分立式晶體管一起使用時，Beta 補償特性不會帶來任何好處。

器件建議

TMP421 提供單個通道來監(jiān)測 BJT;也有多通道遠程溫度傳感器支持多達八個通道，可在本地和遠程測量溫度。

TMP451 在本地和遠程均可提供高精度 （0.0625°C） 溫度測量。服務器、筆記本電腦和汽車傳感器融合應用可受益于多通道遠程傳感器。

外部溫度傳感器

雖然內(nèi)置溫度傳感器位置最佳，但其精度低至 ±5°C。添加外部本地溫度傳感器可以提高管芯溫度精度并提升系統(tǒng)性能。當集成的管芯溫度傳感器不可用時，也可以使用本地溫度傳感器。然而，對于本地溫度傳感器，傳感器位置是重要的設計注意事項。下圖顯示了放置本地溫度傳感器的一些選項：位置 a、b 和 c。

通過放置傳感器實現(xiàn)高性能處理器溫度監(jiān)測

? 位置 a。位于微處理器散熱器中心鉆孔中的傳感器與管芯非?？拷?。散熱器可以夾持到處理器上，或者用環(huán)氧樹脂貼附到處理器頂部。此位置的溫度傳感器通常需要較長的引線，而隨著散熱器到微處理器之間的導熱性能逐漸下降，傳感器數(shù)據(jù)將變得不正確。

? 位置 b。另一個放置傳感器的潛在位置是在處理器插座下方的空腔中，此處的組裝非常簡單直接。鑒于傳感器與氣流隔離，環(huán)境溫度對傳感器讀數(shù)的影響極小。此外，如果散熱器與處理器分離，傳感器將顯示處理器溫度升高。盡管如此，如果采用這種傳感器放置方式，傳感器和處理器之間的溫差可能在 5°C 到 10°C 之間。

? 位置 c。傳感器可以安裝在微處理器單元 （MPU） 旁邊的電路板上。雖然這種安裝方式易于實施，但傳感器溫度與 MPU 溫度之間的相關(guān)性要弱得多。

器件建議

占位尺寸是選擇本地溫度傳感器時需要考慮的一個因素。TMP112 采用 1.6mm x 1.6mm 封裝，可以靠近處理器使用。與集成在處理器內(nèi)部的溫度傳感器通常只有 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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