在上一篇文章中,我们已经介绍了如何监控电路板的温度。 然而,中央处理单元 (CPU)、图形处理单元 (GPU)、专用集成电路 (ASIC) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 等高性能处理器的电源管理通常更为复杂。 通过温度监控,这些系统不仅可以启动安全的系统关闭程序,还可以使用温度数据来动态调整性能。

监控过程温度可以提高系统可靠性并最大限度地提高性能。 如下图所示,高性能处理器通常使用散热器来吸收芯片中多余的热量。 当处理器超过其温度阈值时,较高的温度可能会激活冷却风扇、修改系统时钟或快速关闭系统。

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具有高性能处理器的主板通常需要散热器

芯片温度监控的设计注意事项

为了实现高效的温度监控,高性能处理器有两个设计考虑因素:温度精度和传感器放置。 处理器的温度精度与传感器位置直接相关。

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通过高精度温度监控提高系统性能

如上图所示,通过高精度温度监控可以最大限度地提高处理器性能,从而将系统推向其热设计极限。 虽然大多数集成电路都内置温度传感器,但由于晶圆和其他批次之间的差异,这些传感器的精度并不一致。 此外,处理器必须根据基准进行调节,从而调整与芯片温度相关的系数。 高性能处理器本身具有复杂的电路并会导致自热,从而产生随温度升高而增加的温度误差。 如果系统的设计精度和温度误差较低,则系统的性能将无法在其温度设计限制内最大化。

传感器放置和精度

集成温度传感器或温度二极管或外部温度传感器可以监控处理器的热性能。 在某些情况下,同时使用内部和外部传感器可以最大限度地提高系统性能并提高可靠性。

双极结型晶体管集成温度传感器

一些高性能处理器包含用于温度传感的双极结型晶体管 (BJT)。 BJT 具有非常可预测的与温度相关的传递函数。 远程温度传感器利用这一原理来测量芯片温度。 互补金属氧化物半导体工艺中最常见的 BJT 是 P 沟道 N 沟道 P 沟道 (PNP)。 下图显示了用于测量 PNP 晶体管连接配置的远程温度监控电路。

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使用两个电流测量基极-发射极电压变化 (ΔVBE)

由于晶圆和批次之间的差异引起的噪声和误差,设计远程温度监控系统的过程可能具有挑战性。 温度二极管误差可能由以下原因引起:

• 理想因素变化。 BJT 温度二极管的特性取决于工艺几何因素和其他工艺变量。 如果理想因子 n 已知,则可以使用 n 因子寄存器来纠正 n 因子错误。 或者,可以使用软件校准方法来校正理想因子在所需温度范围内的变化。

• 串联电阻。 信号路径中的任何电阻都会因电流源而导致电压偏移。 现代远程温度传感器使用串联电阻算法,可以消除由高达 1-2kΩ 的电阻引起的温度误差。 即使与电阻电容滤波器结合使用,该算法也能获得稳健且准确的测量结果。

• 噪声注入。 当二极管走线与承载高电流的高频信号线并行运行时,远程印刷电路板走线中的电磁干扰或电感耦合可能会导致错误。 这是远程温度传感器最重要的电路板设计考虑因素之一。

• Beta 补偿。 集成到 FPGA 或处理器中的温度晶体管的 Beta 值可能小于 1。具有 Beta 补偿功能的远程温度传感器专门设计用于与这些晶体管配合使用并纠正与其相关的温度测量误差。 当与分立晶体管一起使用时,β 补偿功能没有任何好处。

设备推荐

提供单通道监控 BJT; 还有多通道远程温度传感器,支持多达八个通道以本地和远程测量温度。

提供本地和远程高精度 (0.0625°C) 温度测量。 服务器、笔记本电脑和汽车传感器融合应用可以受益于多通道远程传感器。

外部温度传感器

尽管内置温度传感器处于最佳位置,但其精度低至±5°C。 添加外部本地温度传感器可提高芯片温度精度并提高系统性能。 当集成芯片温度传感器不可用时,也可以使用本地温度传感器。 然而,对于本地温度传感器来说,传感器位置是一个重要的设计考虑因素。 下图显示了放置本地温度传感器的一些选项:位置 a、b 和 c。

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通过放置传感器进行高性能处理器温度监控

• 位置a。 传感器位于微处理器散热器中心靠近芯片的钻孔中。 散热器可以夹在处理器上,也可以用环氧树脂固定在处理器顶部。 该位置的温度传感器通常需要更长的引线,并且随着从散热器到微处理器的热导率降低,传感器数据将变得不正确。

• 位置b。 传感器的另一个潜在位置是处理器插槽下方的空腔中,在那里组装简单明了。 由于传感器与气流隔离,环境温度对传感器读数的影响最小。 此外,如果散热器与处理器分离,传感器将指示处理器温度升高。 然而,采用这种传感器放置方式,传感器和处理器之间的温差可能在 5°C 到 10°C 之间。

• 位置c。 传感器可以安装在微处理器单元 (MPU) 旁边的电路板上。 虽然这种安装方法很容易实现,但传感器温度和 MPU 温度之间的相关性要弱得多。

设备推荐

占地面积大小是选择本地温度传感器时要考虑的一个因素。 采用1.6mm x 1.6mm封装,可靠近处理器使用。 与处理器内集成的温度传感器的典型精度为 5°C 至 20°C 相比,该器件的 0.5°C 精度可最大限度地提高性能。

点击了解更多,快速定位TI模拟专栏,查看更多TI传感器产品最新最全信息。 同时,在接下来的几篇文章中,我们将重点介绍各种应用的设计注意事项,评估温度精度和应用尺寸之间的权衡,并讨论传感器放置方法。

好了,今天的主题就讲到这里吧,不管如何,能帮到你我就很开心了,如果您觉得这篇文章写得不错,欢迎点赞和分享给身边的朋友。

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