硅温度传感器

硅传感器是电子系统中越来越重要的传感器。随着系统变得更复杂、更紧凑、更密集，运行得更快、更热，监测临界温度变得越来越重要。传统的传感器技术，如热电偶、热敏电阻和rtd，现在正被硅传感器所取代，因为它们易于集成和使用。许多传统的传感器类型本质上是非线性的，需要信号调理(即，补偿，查找表，激励电路等)，以准确地将温度转换为电可测量的量，如电压或电流

*信号调理的考虑，设计和电路的实际例子可以在研讨会笔记，电源和热管理的实用设计技术，第6节中看到。

另一方面，硅传感器是线性的、精确的、低成本的，并且可以与放大器和任何其他所需的处理功能集成在同一个IC上。硅传感器的实际传感元件是一个简单的P-N晶体管结。通过常规P-N晶体管结的电压具有约2 mV/°C的固有温度依赖性，这一事实可用于开发温度测量系统。硅传感器在传感器工业标准中是新的，但在半导体工业标准中是非常成熟的。例如，AD590 1 μ A/°C IC传感器是在20多年前推出的!†

†对话12-1,1978,pp. 3-5。参见M. P. Timko，“一个双端IC温度传感器”，IEEE固态电路杂志，vol. SC-11, 1976, pp. 784-788。

为了将温度变化与电流电平的影响分离开来并消除偏移，最常用的技术是基于两个晶体管结进行测量。通过以恒定的集电极电流密度比r操作两个相同的晶体管，它们的基极-发射极电压差将是(kT / q) (ln r)。由于k(玻尔兹曼常数)和q(电子电荷)都是物理常数，因此产生的电压与绝对温度T (PTAT)成正比。

从现有的温度监测产品，其中包括这种类型的温度传感，通常集成它与其他功能。例如，它可以与数字转换电路相结合。图1显示了AD7415的框图;它包含温度传感电路、放大器和ADC，以及两线I(2)C接口。其他产品，如对话33-1中介绍的ADM9240，包括许多附加功能，如电压监测和风扇速度监测，以及片上限制设置。

传感器安装注意事项-问题

虽然硅传感器是一种非常精确的温度传感器，但重要的是要记住，它只会测量自己的结温，从而测量自己的芯片温度。这是很好的，如果一个人只是感兴趣的监测范围内的近似区域温度或环境温度(和对流和传导条件是足够的)。然而，如果必须监测热源或计算机芯片(如奔腾 III CPU或高性能图形芯片)内的局部温度，则情况就不那么简单了。为了准确测量热源的温度，传感器必须靠近热源本身。传感器与热源之间热阻的积累将导致测量误差和不确定性。在许多情况下，为了获得准确的温度测量而需要解决的物理安装问题可能根本无法处理，从而导致降额和次优性能。

例如，如果IC温度传感器必须安装在电路板上，那么它们不太可能与被监测对象的“热点”进行密切的物理接触。对于微小的二端和三端器件，可能有可能解决安装困难，但对于多引脚封装，这实际上是不可能的。

抵消校准?

一种方法可能是添加一个精心选择的偏移量，以解释传感器和热源之间的温差。在系统表征期间，通过比较显示的温度和实际温度，可以推导出所需的偏移量。由于室温下所需的偏移量几乎肯定与高温下所需的偏移量不同，因此简单的偏移寄存器通常是不够的。查找表方法是解决这个问题的一种方法。对于固定的系统，这种方法可能是有效的，尽管有些笨拙，但是当系统配置发生变化时，查找表会有所不同。

例如，考虑通过尽可能靠近CPU放置温度传感器来测量主板上CPU的温度。传感器很可能离热源(CPU)至少1厘米远。两者之间通过电路板材料的路径的热阻非常高，并且气流(即，对流或风扇驱动的流，如果从源指向传感器)是热量传递到传感结的主要方式。对流本身很容易受到干扰——例如，通过在系统中添加另一张卡片——从而导致测量不准确。风扇驱动的流在冷却方面有其优势，但会扭曲对流，导致对CPU芯片内局部温度的测量非常不准确。

理想的解决方案是将传感器和相关的调理电路集成到CPU芯片上。这种集成将保证准确的温度传感，因为传感器将在物理和热接近热源。不幸的是，用于构建当今高性能cpu的技术与用于构建高精度温度传感器和相关放大电路的技术不兼容。

答案:直接感知CPU

解决该问题的最佳方法是在靠近热点的CPU芯片上提供pn结感应，然后使用外部调节IC完成其余工作。这种方法可以直接测量CPU温度，没有任何不确定性。最新的英特尔Pentium II和Pentium III CPU包含片上热二极管监视器(TDM)，以促进这一点。在Slot 1 cpu上，两个引脚，THERMDP和THERMDN，提供对片上二极管的访问。为了提供信号调理并将微小的电压变化转换为数字形式的可靠可测量结果，Devices的新一代产品ADM102x系列提供所需的调理和转换电路。

TDM到数字化的新途径

现在的诀窍是将温度引起的微小电压变化转化为真正可测量的信号，并将其数字化。低信号电平本身就构成了一个困难的仪表问题，但电路必须工作的噪声环境使问题进一步复杂化。如果你将电子环境中的一个数字计算机芯片!信号很容易被噪声淹没，使信号无法恢复。此外，从单位到单位的制造变化导致结响应的差异。现在我们将讨论该技术是如何工作的，它与更传统的技术相比如何，以及如何从中提取最佳性能。

解决方案

首先，对于给定的电流水平，在CPU制造过程中二极管的绝对正向压降不是很好地控制。此外，由于电压取决于绝对(即开尔文)温度，正向电压值比每1°C温度变化的电压值变化大许多倍。因此，最重要的要求是在任何放大发生之前从方程中去除二极管电压的绝对值。

单个设备校准是一种选择，但不是实用的。相反，使用了一种与上述双晶体管方法类似的技术，除了电流密度比(单位面积的电流)r取决于改变同一二极管中的电流，而不是使用具有相等电流的两个二极管的不同区域。这种技术被称为“得尔塔 - v (BE)校准”，它迫使两个不同水平的电流通过热二极管结，并测量正向电压的变化。第一个电流可视为校准电流，并确定结的V(be)正向电压值。然后用第二个电流再次测量V(BE)值。V(BE)的变化或差与绝对温度成正比。它与结的正向电压或由于制造变化而产生的其他差异无关。

V(BE) = (kT/q) ln (Ic / Is)

由于I(S)是晶体管的一种特性，对于任何电流都是不变的，

V(BE1) - V(BE2) = 得尔塔 V(BE) = (kT / q) ln (I / NI) = (kT / q) ln (1/ N)

因为N k q都是已知常数，

T =(常数)(得尔塔 V(BE))

得尔塔 V(BE)传感器的输出在大约2.2 mV/°C时变化。该信号需要调节和放大。实际的得尔塔 V(BE)传感器显示为衬底晶体管，因为这将是片上结的实际情况。它同样可以是一个分立的晶体管。如果使用分立晶体管，集电极将不接地，而应连接到基极。为了防止地面噪声干扰测量，传感器的负端不参考地面，而是通过D-输入端的内部二极管偏置在地面之上。为了测量得尔塔 V(BE)，传感器在工作电流I和N × I之间切换。

滤波和放大

产生的波形通过65 khz低通滤波器去除噪声，然后到一个斩波稳定放大器，该放大器执行波形的放大和整流功能，以产生与得尔塔 V(BE)成比例的直流电压。该电压由ADC测量，以8位双补码格式给出温度输出。为了进一步减少噪声的影响，进行了16次测量，对结果进行平均，然后在输出端提供平均结果。

那么TDM方法在实践中有多好呢?

将TDM测量与更传统的热敏电阻方法进行比较是很有趣的。下面的示例比较了使用热敏电阻和TDM通道测量Slot 1插槽中333mhz奔腾 II的温度所获得的结果。热敏电阻与盒式散热器直接物理接触。时分复用通道使用片上二极管和ADM1021(与上面讨论的电路相似)来提供信号调理。

除了更精确之外，它没有热滞后的问题。虽然与散热器的接触比以前甚至没有接触的方法优越，但它仍然表现出主要的缺点。如图4c所示，热敏电阻滞后完全错过了许多热事件，因为它的响应时间很慢。图4a显示了上电事件，而图4b显示了下电事件。超过30°C(代表墨盒温度而不是实际芯片温度)的误差是明显的。

更重要的是图4c，其中CPU循环进入和退出Suspend模式。热敏电阻完全忽略了这20°C的热事件。很容易看出，在由于故障条件导致温度迅速上升的情况下，它如何无法保护系统。所有图还显示了随温度升高TDM和热敏电阻之间的偏移误差(由于封装温度下降)。偏移量可以通过系统校准来处理，但是没有人可以做任何事情来补偿热滞后。事实上，如果采用额外的系统冷却，TDM和热敏电阻之间的误差将更大。

使用离散晶体管进行时分复用

因此，如果将感应二极管集成到正在测量温度的CPU的芯片上，则TDM方法非常有效。使用这种方法来测量没有片上TDM的温度，或者测量除IC以外的热源的温度怎么样?得尔塔 V(BE) TDM方法也可用于独立的分立晶体管。任何NPN或PNP通用晶体管，如2N3904或2N3906，都可以用作远程传感器。使用分立晶体管，将基极连接到集电极，形成一个2端器件。晶体管是很好的温度传感器，因为它们的热质量低，而且容易安装。

如果晶体管感应结距离很远(6英尺)，并且在嘈杂的环境中使用，那么保持信号完整性和防止干扰的最佳方法是使用扭曲屏蔽电缆。最大电缆长度受电缆电容和串联电阻的限制。D+和D-之间的电容会导致稳定时间误差，因为开关电流需要在转换之前完全稳定。

噪声环境下的时分复用技术

在使用热二极管感测技术时，特别是在嘈杂的环境中，遵守一些准则是非常重要的。PC环境本来就是嘈杂的，而且随着PC的速度越来越快，它似乎变得越来越嘈杂。随着CPU速度向1ghz加速，EMC噪声变得更加令人头疼。高速图形端口(AGP)、高速随机存储器和高速磁盘访问意味着噪声有很多机会和途径耦合到敏感电路中。TDM是一种非常敏感的方法。驱动热二极管的电路由高阻抗、低电平电流源组成。为防止干扰，时分复用线路应尽量保持较短，并在附近有高频噪声源时加以屏蔽。

ADM1021的附加功能

除了时分复用通道，ADM1021还包括一个片上晶体管，用于本地或环境温度监测。可编程的转换速率(从每16秒1转换到每秒8转换)促进了高更新速率，必须记录快速的温度变化。如果不需要快速更新，则可以使用较低的更新速率来节省电力。

ADM1021还包含四个极限寄存器，用于存储本地和远程，高低温限制。功能框图如图7所示。使用ADM1021的典型系统配置如图8所示。

TDM CPU监控有利于最佳冷却

图9展示了一台实际笔记本电脑的热特性。这显示了一旦监控实用程序开始运行(在开机和Windows启动之后)，芯片上和计算机环境中的温度是如何上升的。注意CPU和内部环境运行时的热程度是很有趣的。BIOS设置的CPU温度上限为92℃。当达到该温度时，风扇打开并保持打开状态，直到温度降至82℃以下。由于在ADM1021中编程了高低限，因此风扇可以控制CPU温度在82°C到92°C之间。温度会在这两个水平之间波动。如果风扇发生故障，如果超出温度限制，则会关闭系统。值得注意的是，笔记本电脑外壳内的环境温度也会达到非常高的温度，大约比CPU温度低10°C。

这个例子说明了TDM技术在CPU温度管理中的重要性。在此技术之前，不可能在不过热的情况下从CPU中获得如此高的性能水平，也不可能因为不断冷却系统而过度浪费电池寿命。