基于半导体硅的高速芯片温度检测技术

基于半导体硅的高速芯片温度检测技术

0高速芯片冷却技术高速和高性能电路的工作通常会随着时间的推移而改变。当温度上升时性能会受到影响,温度达到一定程度时会引起参数改变、最大工作频率降低、定时超出规定等状况。发生这些情况时,仪器通常不能正常工作。因此,对高速芯片选择合适冷却技术,如执行风扇控制和时钟遏止等方式,以保证高速芯片在尽可能长的工作时间和最宽的环境条件范围内保持良好的性能,就显得很重要。必须首先做到对于高速芯片温度的精确监测。随着高速芯片的时钟频率、电路密度和功率水平的提升,管芯工作温度可能会出现超出常规温度传感器的量程极限的状况。因此在采用不同温度传感技术时,既要获取最佳性能,同时又要避免系统发生灾难性故障。1基于电子系统的温度传感器技术1.1负温度系数ntc电阻热敏电阻是一种温度效应电阻,通常由电导型材料烧结而成。常见的热敏电阻为负温度系数NTC电阻。主要有以下特点:适当的温度范围、中低成本、较差的线性度、需要进行适度的信号调理等。热敏电阻在与高速芯片封装时,可采用探针形式以及带裸露引线的表面贴装,或其他类型的特殊封装。1.2rtd信号调理电路RTD是一种阻值随温度变化的电阻,通常由铂金线制成。主要有以下特点:宽温度范围、出色的精度及可重复性、适度的线性以及需要进行信号调理等。RTD信号调理电路通常由精密电流源及高分辨率的模数转换器组成,因此成本一般较高。RTD在与高速芯片封装时,可采用探针形式及表面贴装封装,并带有裸露引线。1.3积极输出适用于特定温度下的信号热电偶由两根材质不同的金属线连接在一起形成,金属线之间的连接点产生一个与温度近似成比例的电压。主要有以下特点:极宽测温范围、低成本、极低输出电压、适当的线性、中等复杂的信号调理等。最常见的是K型热电偶。热电偶在与高速芯片封装时,可采用带有裸露引线的探针形式。2新温度传感器技术：温度传压器ic2.1温度传感器温度传感器IC是一种带模拟或数字输出并完全基于半导体硅的温度传感器。它把温度传感器与后续放大器等用集成化技术制作在同一基片上,是集传感与放大为一体的功能器件。温度传感器IC的设计原理是:对于集电极电流比一定的两个晶体管,其发射结正向压降UBE之差ΔUBE与温度有关。其主要特点包括:适当的温度范围(大约150℃)、低成本、出色的线性以及很多附加功能,例如信号调理、比较器及数字接口等。进行信号调理、配置模数转换及恒温器等都会增加其他类型传感技术的成本,而温度传感器IC通常已经包含这些功能,具有不可比拟的优势。温度传感器IC在与高速芯片封装时,主要采用表贴封装。图1是两种温度传感器IC的原理图,图1(a)为电压输出型,图1(b)为电流输出型。2.2温度监视功能典型数字温度传感器IC用8位二进制数来表示温度,包括1个符号和7个数值位。一个更高权重的最低有效位(LSB)对应于20℃,一个更高权重的最高有效位(MSB)对应于26℃,其最高测量温度一般限制在128℃以内。一般情况下,该常规测温范围对高速芯片来说是足够的。然而,有时需测量高达150℃的温度,此情况可以在半导体硅的极限条件下,利用温度传感器IC扩展温度测量范围。实现这一任务的最方便方法是将MSB的权重设为27℃,那么温度测量的范围将扩展至255℃.一些大功率高速芯片最高工作温度取决于时钟速度、工艺、器件封装和其他各种设计因素。通常情况下,信号的完整性随温度的升高而变差,直至电路不再满足规范要求。在许多CPU和GPU中,这种情况发生在100℃左右,但在一些高性能电路中,正常工作条件可延伸至145℃.由于此温度范围的上限已接近晶片的极限温度条件,为避免器件失效和由此而导致的系统关断,温度监视就更加重要。利用温度传感器IC扩展温度测量范围,能够监视高速芯片的整个工作范围(见图2)。2.3高速芯片的理想因子利用远程感温二极管监测高速芯片温度是温度传感器IC非常有效的测温办法。其方法是以两种不同的电流驱动二极管,一般电流比为10:1。测出二极管在两种不同电流水平下的电压,然后由式(1)可计算出温度:Vh−Vl=nkTq(lnIhIl)(1)Vh-Vl=nkΤq(lnΙhΙl)(1)式中:Ih为较高的二极管偏置电流,μA:Il为较低的二极管偏置电流,μA;Vh为Ih产生的二极管电压,μV;Vl为Il产生的二极管电压,μV;n为二极管理想因子;k为玻耳兹曼常数,k=1.38×10-23J/°K;T为绝对温度,°K;q为1个电子的电量,q=1.60×10-19℃.若IhIl=10ΙhΙl=10,则式(1)可简化为Vh-Vl=1.986×10-4×nT(2)式中n为与工艺有关的一个参数,对绝大多数晶体管而言,其值非常接近1.0。表1给出了几种高速芯片的理想因子。温度传感器IC要求其内部的模数转换器必须具有在相当高共模条件下精确测量小电压的能力:1℃的变化量约对应200μV.可靠、精确、宽量程的二极管温度传感器,还需要有精密的生产测试技术做支持,对传感器进行精细调整和验证其精度。3对测对象的温度变化特点和具体的要求为高速芯片选择正确的测温技术,必须针对待测对象的温度变化特点和具体的要求。表2给出了一些常见温度测量对象在选择最佳温度监测传感器时的利弊比较结果。4风压机的可靠性高速芯片很少使用单一的冷却技术,一般需要结合多种技术以确保高性能和持续可靠性。风扇能大幅度地降低高速芯片的温度,但它们也能产生大量的音频噪音。根据温度变化来调节风扇速度,能明显地降低风扇噪声。当温度降低时,风扇可缓慢运转(可非常安静);当温度上升时,则加速运转。4.1带效率的社会主义电路设计调节无刷直流风扇速度的常用方法是调整风扇的电源电压。这种方法可在电源电压最低到额定值的40%时很好地工作。但有一个缺点,如果使用线性调节器件来改变电源电压,则效率很低。使用开关电源可以获得更好的效率,但会增加成本和元件数量。另外一种技术是用一个低频宽脉冲调制PWM信号驱动风扇,一般在30Hz范围内,通过调整该信号的占空比来调节风扇速度。因为只用单个小开关管,因而这种方案的成本低廉。由于晶体管作为开关使用,所以效率很高。但PWM波形的快速边沿会引起风扇的机械结构移动,多少有些噪音。4.2热风控制电路通常情况下,风扇在特定的温度门限以下关闭,当超过门限后,开始低速旋转。当温度上升时,风扇驱动线性增长,直至100%。最佳斜率依赖于系统要求。更大的斜率一定程度上可获得更稳定的芯片温度,但当功耗随时变化时,风扇速度的变化量更大。如果目标是高性能,则应该选择起始温度和斜率,以使风扇在晶片温度高到足以启动时间节流之前达到全速运转。风扇控制电路可以多种方式实现。具有多达5个测量通道的多种远端温度传感器可直接检测高速芯片的温度,并将温度数据传给微处理器。具有多个风扇转速计监视通道的风扇速度调节器可对风扇的可靠性测定或电源电压提供可靠的控制,并可接受来自于外部微控制器的命令。为了降低成本和简化设计,温度测量和风扇控制可采用单片封装IC.传感器/控制器一般也包含了过温检测,可用于时钟节流或系统关断,因而可避免高速芯片因过热而灾难性损毁。这种温度传感器IC的驱动方式有两种:直流驱动和PWM驱动,图3为线性(直流输出)风扇控制温度传感器IC工作原理图,IC远程检测温度并根据温度控制风扇速度。该芯片通过一个内部功率晶体管产生一个直流电源电压。PWM驱动的IC具有类似功能,但通过一个外部晶体管以PWM波形来驱动风扇。两者都具备完整的热故障监测和过热输出,如果高速芯片太热可用来关断系统。