擴展范圍溫度檢測IC

使用遠程溫度傳感器監(jiān)控高性能微處理器和圖形處理器的芯片溫度是管理電源和熱工作特性的常用技術(shù)。隨著時鐘速度、電路密度和功率水平的增加，芯片工作溫度可能會超過傳統(tǒng)溫度傳感器的極限。Maxim的新型溫度傳感器可以測量以前超出此類設(shè)備范圍的溫度。本文討論寬量程溫度傳感器、其理論和應(yīng)用。

使用外部雙極晶體管作為傳感元件的數(shù)字遠程溫度傳感器被廣泛依賴，用于監(jiān)測高速、高性能IC上的芯片溫度，如微處理器、圖形處理器和FPGA。準確監(jiān)測溫度對于確保最佳性能和防止災(zāi)難性故障至關(guān)重要。溫度監(jiān)控器允許系統(tǒng)執(zhí)行風(fēng)扇控制和時鐘節(jié)流功能，以將高性能IC保持在必要的工作溫度范圍內(nèi)。在較高溫度下，它可用于關(guān)閉系統(tǒng)以防止故障。隨著性能和功率水平的提高，遠程溫度監(jiān)控功能變得更加重要，但執(zhí)行起來更加困難。

幾乎所有傳統(tǒng)數(shù)字溫度傳感器IC的測量上限都小于128°C;許多限制在100°C。 通常，常規(guī)溫度范圍就足夠了。但是，有時測量高達150°C的溫度很重要。 在這種情況下，需要大范圍溫度傳感器。

感應(yīng)擴展溫度

典型的數(shù)字溫度傳感器IC使用一個符號位和七個幅度位表示溫度數(shù)據(jù)，LSB為1°C，MSB為64°C。 雖然一些數(shù)字傳感器有幾個額外的位來表示更高分辨率的溫度，但64°C MSB將最高測量溫度限制在128°C以下。 寬量程溫度傳感器可以測量遠高于此 128°C 限值的值，通常高達 150°C。 執(zhí)行此任務(wù)的最方便方法是提供重量為 128°C 的 MSB。 在這種情況下，溫度數(shù)據(jù)范圍擴展到255°C，這遠遠超出了有用范圍，因為不太可能遇到超過127°C的溫度。在高于約150°C的溫度下，由于用于測量溫度的半導(dǎo)體結(jié)的限制，精度會迅速下降。

某些高功率IC的最高工作溫度取決于時鐘速度、工藝、器件封裝和各種設(shè)計因素。通常，信號完整性會隨著溫度的升高而降低，直到電路不再符合其規(guī)格。在許多 CPU 和圖形處理器中，這種情況發(fā)生在 100°C 左右;但在某些高性能電路中，正常工作溫度可以延長至145°C。 如果設(shè)備可以在擴展溫度下正常工作，則準確測量溫度對于將其保持在正確的工作范圍內(nèi)非常重要。由于芯片的絕對最高溫度接近此范圍的頂部，因此監(jiān)控溫度以避免故障和隨后的關(guān)斷更為重要（圖 1）。

圖1.擴展范圍的遠程溫度傳感器可以在整個工作范圍內(nèi)監(jiān)控高性能設(shè)備。

在一些高性能處理器中，熱二極管的物理特性會給測量的溫度增加一個“偏移”。換句話說，測得的溫度可以明顯高于實際溫度。在這種情況下，溫度傳感器需要測量遠高于正常工作范圍的表觀溫度。盡管測得的溫度可能為 150° 或更高，但二極管的實際溫度仍可在處理器的正常工作溫度范圍內(nèi)。

遠程溫度傳感基礎(chǔ)知識

使用遠端二極管溫度傳感器測量溫度的最常見方法迫使兩種不同的電流通過二極管，通常電流比約為10：1。（二極管不是像1N4001那樣的雙引線器件。相反，它是一個二極管連接的雙極晶體管。雙引線二極管的理想因數(shù)與遠端二極管溫度傳感器不兼容。在每個電流水平下測量二極管的電壓，并根據(jù)公式計算溫度，

其中：
IH是較大的二極管偏置電流
IL是較小的二極管偏置電流
VH是二極管電壓由IH
VL是二極管電壓由IL
n 是二極管的理想因子
k 是玻爾茲曼常數(shù) （1.38 x 10-23焦耳/°K）

T 是以 °K為單位的溫度

q 是電子的電荷 （1.60 x 10-19°C）

如果

=10，這可以簡化為：

術(shù)語“n”稱為理想因子，并且與過程相關(guān)。對于大多數(shù)晶體管，該值非常接近1.0。例如，奔騰? III 微處理器的理想因數(shù)約為 1.008，而奔騰 IV 微處理器的理想系數(shù)約為 1.002。遠端二極管溫度傳感器產(chǎn)生具有精確比率的電流，測量產(chǎn)生的電壓，然后對電壓測量進行縮放和電平轉(zhuǎn)換以產(chǎn)生溫度數(shù)據(jù)。內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）必須能夠精確測量具有相當大共模值的小電壓;1°C的溫度變化相當于約200μV。

寬量程溫度傳感器類似于傳統(tǒng)傳感器，但ADC輸入電壓范圍略大，以適應(yīng)低電流和高電流電平之間的較大電壓差。此外，溫度數(shù)據(jù)必須以不同的方式組織。Maxim的擴展量程溫度傳感器增加了更高權(quán)重的MSB，允許在128°C以上進行溫度測量。 這通常是通過用較大的MSB替換符號位來完成的。

為了生產(chǎn)可靠、準確、寬量程的遠端二極管溫度傳感器，必須采用精確的制造測試技術(shù)來調(diào)整傳感器并驗證其精度。Maxim專有的熱管理測試系統(tǒng)測量傳感器和熱二極管的溫度，并調(diào)整傳感器的內(nèi)部電路，實現(xiàn)業(yè)內(nèi)無與倫比的精度。

遠程溫度傳感器測量溫度可達 150°C

Maxim于6627年推出的首款擴展量程遠程溫度傳感器是MAX2001。MAX6627具有3線（時鐘、串行數(shù)據(jù)輸出和片選）數(shù)字接口，在遠端溫度傳感器中獨樹一幟。它采用小型 8 引腳 SOT-23 封裝，可放置在關(guān)鍵元件附近。

2003年，Maxim推出了MAX6646/MAX6647/MAX6649，這三款擴展量程遠程溫度傳感器具有2線、I2C-/SMBus?兼容接口，特別適合臺式機、筆記本電腦和服務(wù)器應(yīng)用。這些傳感器在高達 1°C 的溫度下具有 145°C 的精度（圖 2），使其成為世界上最精確的擴展量程溫度傳感器。它們與工業(yè)標準MAX6692引腳兼容，并且與寄存器兼容。但是，在128°C及以上時，溫度數(shù)據(jù)寄存器具有一個額外的數(shù)據(jù)位，以允許更高的溫度測量。這些傳感器還包括熱比較器輸出等功能，用于指示過熱和欠溫條件，這對于監(jiān)控和保護高性能IC非常有用。

圖2.MAX6649測量CPU或圖形處理器上的熱二極管，在1°C至60°C范圍內(nèi)精度為145°C。 測量溫度可達 150°C，精度會降低。

2003年推出的另一種新型擴展量程傳感器是MAX6642（圖3），它是目前最小的擴展量程溫度傳感器，帶有SMBus接口。它采用 6 引腳 TDFN 封裝，占位面積為 3mm x 3mm，厚度僅為 0.8mm。精度保證在 1°C 至 60°C ±100°C 范圍內(nèi)，±3.5°C （100°C 至 150°C）。

圖3.MAX6642是世界上最小的遠端溫度傳感器，測量溫度高達150°C。

總結(jié)

雖然擴展量程遠程溫度傳感器是市場上的新產(chǎn)品，但它們在各種當前和未來系統(tǒng)中的需求是顯而易見的。Maxim致力于提供業(yè)內(nèi)最高精度的擴展量程傳感器，并將繼續(xù)推出創(chuàng)新的擴展范圍產(chǎn)品，以滿足新興的系統(tǒng)要求。

審核編輯：郭婷