采用混合信號(hào)FPGA實(shí)現(xiàn)智能化熱管理

引言

　　傳統(tǒng)上，人們一直采用熱敏電阻、熱耦或分離式溫度測(cè)量芯片來(lái)測(cè)量系統(tǒng)溫度。而且，隨著系統(tǒng)速度越來(lái)越快，系統(tǒng)的相對(duì)尺寸越來(lái)越小，溫度測(cè)量也變得越來(lái)越重要。

　　然而，若需要測(cè)量板卡上多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的溫度，這些器件的成本會(huì)迅速增加。這反過(guò)來(lái)產(chǎn)生了對(duì)高效、緊湊及低價(jià)的溫度測(cè)量方法的迫切需求，其應(yīng)用范圍遍及高速計(jì)算機(jī)、電信網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備以及工業(yè)溫度控制，諸如便攜式電子產(chǎn)品、生物醫(yī)學(xué)器件、電機(jī)控制以及汽車電子。

　　由于及時(shí)和準(zhǔn)確地修正溫度在許多應(yīng)用中都非常關(guān)鍵，當(dāng)今的智能系統(tǒng)都采用了冷卻系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部情況平衡其運(yùn)作。這類系統(tǒng)還有其它優(yōu)點(diǎn)，即可使用板卡上的測(cè)溫二極管 (或采用二極管接法的晶體管) 跟蹤和測(cè)量特定器件的溫度。這樣，當(dāng)出現(xiàn)溫度異常時(shí)，就能提示系統(tǒng)的運(yùn)行情況，指出部件當(dāng)前運(yùn)行不正確。而智能系統(tǒng)此時(shí)就可作出響應(yīng)，采取修正措施，并/或向系統(tǒng)管理部分給出超界報(bào)警。

　　除了完成其它系統(tǒng)管理任務(wù)外，當(dāng)今的混合信號(hào)FPGA也是一種智能熱管理系統(tǒng)，可讓設(shè)計(jì)人員以低成本輕松、準(zhǔn)確地測(cè)量多個(gè)位置的溫度。

　　使用混合信號(hào)FPGA檢查和測(cè)量電壓

　　在研究恒流下二極管絕對(duì)溫度與其正向電壓間的關(guān)系時(shí)，二極管正向壓降隨溫度的變化大約為2mV/C。為提高測(cè)量精度，并排除不同二極管間的差異因素，要利用兩個(gè)已知的電流值及測(cè)量值的比率數(shù)據(jù)。圖1所示為溫度對(duì)二極管電壓和電流的影響。

　　該測(cè)量值由如下方程表示：

T =DV * q / (n * k * ln(IH / IL) (1)

　　其中，T=絕對(duì)溫度，DV=二極管在高電流和低電流下的電壓差，q=1.602×10-19 庫(kù)侖 (一個(gè)電子的電荷量)，n=1(理想因子，這里假定為1)，k=1.38×10-23 J/K(波爾茲曼常數(shù))，IH = 高電流強(qiáng)度，IL=低電流強(qiáng)度。

　　本文采用Actel的混合信號(hào)Fusion PSC (可編程系統(tǒng)芯片) 在真實(shí)世界的應(yīng)用來(lái)作為案例進(jìn)行說(shuō)明。該混合信號(hào)FPGA將提供兩個(gè)已知 (100mA 和 10mA) 的電流源 (見圖2)，并通過(guò)內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 測(cè)量電壓差。假定二極管處于室溫，檢定電壓差值DV。

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從方程 (1) 中解出將要送到ADC的轉(zhuǎn)換電壓，即如下的方程 (2)；進(jìn)而得到混合信號(hào)FPGA所測(cè)量出的電壓值。

DV = T * n * k * ln(IH / IL) / q (2)

DV = 298 * 1 * (1.38x10-23 J/K) * ln(10) / (1.602x10-19C)

DV = 298 * 0.00019835 = 59 mV