温度量测的方法

一个固定的正向电流（IF）流过晶体管的二极管电路（diode-configured）来提供适度准确的温度指示。基于晶体管的定义公式，PN接合面（PN junction）的温度敏感性，使Vbe或VF 在-55oC 到 150oC温度范围之间呈现相当线性化的特征。(图一)显示这种方法的简单电路图。很多早期的硅制程传感器只使用单一电流就能获得3℃上下的准确度。

《图一 透过可配置性二极管晶体管恒定正向电流量测温度的简单电路图》

（图注:装置一个双极（bipolar）晶体管来做为温度传感器，从基极（base）短路到集极（collector），一个固定电流从基极到射极（emitter）会产生正向压降（VF），此压降和温度成正比）

与热电偶（thermocouple）或温度阻抗型装置（resistance temperature device；RTD）相较之下，半导体传感器的温度系数显得稍微高一些。这个半导体传感器在不同的温度时有不同的偏置值（offset），不过，半导体接合面电压（junction voltage）对应于温度的情况比热电偶、热敏电阻（thermistor）或RTD都还要更具有线性化的特征。(图二)显示在－40℃到150℃的操作温度范围内Vbe对温度的线性特征。(图三)显示基于0.1mA固定集极电流的量测下，线性误差（linearity error）与温度值的对应状况。更高的恒定电流值会造成本身温度的上升，Vbe与电流的变异状况请参考(图四)。

《图二 温度传感器的基极－射极电压vs.环境温度》

《图三 二极管温度传感器的线性误差（mV）vs. Vbe的温度值》

《图四 基极－射极（base-emitter）电压vs.集极－射极（collector-emitter）电流》

一种更先进的方法是使用二组电流再减去其电压差异来得出更为线性的ΔVbe，这个差异值（在毫伏特的范围）会以约50mV/℃的缩放因子（scale factor）来放大。ΔVbe技术使用能带间隙（bandgap）来产生参考值，这个参考值有自己相对于温度的曲线，并会带来额外的问题。(图五)显示ΔVbe技术采用的电路。

《图五 由两个二极管链接型式的晶体管组成的差动电路来构成一个独立于来源电流变动的温度传感器》

要对ΔVbe进行量测，电路会以相当高的速率（约50kHz）在高电流和低电流之间来回切换，转换器会对两个数值间的差异进行取样，以操作电压对温度的转换。

关于二极管温度对应于在两个驱动电流的温度二极管的电压改变值公式如下：

ΔVBE=(nf)KT/q*ln(N) （1）

其中：

nf＝二极管非理想参数（理想因子nominal为1.008）

K＝Boltzman常数（1.38x10-23）

T＝二极管结温度（Kelvins温度）

q＝电子电荷（1.6x10-19库伦）

N＝二个驱动电流的比率（16）

从基板二极管得出温度

在今日的PC中，几乎所有的量测都使用ΔVbe技术，其中的一个二极管是处理器基板二极管（substrate diode）。这个基板二极管是一个寄生性PNP晶体管，它的集极透过基板接地，基极（D-）和射极（D+）则带出接脚。当制程从90nm微缩到65nm或更小时，这个二极管变得愈来愈不是个理想的二极管，反而是一个可能造成准确性议题的不良晶体管，其增益beta值甚至会小于1。准确度的降低从90nm的等级开始出现。除了beta值的变异外，漏电也是问题的一部分。由于这个二极管是一个寄生性双极组件，并非主流处理器设计焦点的一部分，所以相较于那些以GHz速率在开关的数以亿计晶体管来说，它所得到的关注是很小的。虽然处理器设计师计划加上一颗芯片上的温度计来获得与温度成比例的数字值，但温度传感器仍然是一项挑战。

温度准确度问题

使用基板二极管来量测温度时需要额外的电路，(图六)显示出与外部IC的典型链接作法。在ΔVbe量测的输入中，一般模式（common-mode）和差异性噪讯（differential noise）会直接影响电压的改变。当输入的噪讯愈大，温度的显示值就愈高。一般来说，一个跨接在传感器的二极管输入接脚的1nF电容器能够避开多数的问题，在这组件内的滤波器则可以移除高频噪讯。

《图六 CPU远程二极管链接到对外部电路》

外加的温度感测电路包括一个具有一些参考值的模拟转数字转换器（ADC），多数的ADC采用最少的电路来设计简单的ΣΔ电路。要具备将ΔVbe值转成数字的能力，必须仰赖一组不会随温度而改变的参考值。这不是个小问题，决定ΔVbe的量测准确与否的关键，正在于这组参考值能否良好的被控制，并对差异值做出校正，而不用再去烦恼在环境温度下，远程晶体管发生了什么事。电路板的布局（layout）也可能影响噪讯现象，所以得寻求供货商针对如何降低处理基板二极管输出的各种电路中的噪讯所提出的建议。

从外部电路到CPU接脚的链接中的任何阻抗，都可能对二极管电压产生偏置值而影响量测的结果。这个偏置值对于温度来说可以视为相对恒定的值。一个近似的值可以透过以下公式来计算：

ΔTR = RS×TV×ΔID

Or

ΔTR = RS×90μA230μV/°C=RS×0.391°C/Ω （2）

其中：

ΔTR = RS×90μA230μV/°C=RS×0.391°C/Ω （2）

ΔTR＝实际读出的温度差异

R＝全部互连的串连阻抗（both leads）

ΔID＝两个二极管电流等级的差异（90μA）

TV＝温度等级（scale of temperature）vs.VBE （230μV/°C）

举例来说，当全部串连阻抗是10Ω时，将产生+3.9℃的偏置值。CPU上的热点（hot spots）是今日与未来处理器的基本设计问题。这个用来量测的寄生二极管位于妥协考虑下的位置，而不是实际数据流动的局部高热点－这才是最适当量测区域。因此在读到的温度值和实际热点上的温度之间，很容易就发生约10℃的温度差异，这要视两者相隔的距离而定。此外，热点并不是一直都在相同的区域，它会经常的改变。

对于单核心来说，这是事实；当走向多核心时，情况只会更糟，即使采用了多个传感器也不能完全解决这个问题。

数字温度感测

今日的IC已发展到能够处理基板二极管的输出，并将此信息透过多数计算机中常见的系统管理总线（System Management Bus；SMBus）来转换为传递用的数字格式，以下两个范例包含了数字温度传感器和更复杂的数字风扇控制。

以aSC7511为例，它是一颗低电压的两线数字式温度传感器（digital temperature sensor, DTS），这颗DTS的温度感测电路会持续地监控内部温度二极管的基极－射极电压，以及链接到D+和D-接脚的远程二极管。这个芯片将两个模拟电压转换为数字值，并将此数据放到温度缓存器。使用与SMBus兼容的序列式接口，用户就可以取得温度缓存器中的数据。此外，这个序列式接口也让用户更容易连上其他的aSC7511缓存器，并对其控制进行客制化的动作。

《图七 包含内部ADC、SMBus输出和温度警示的数字温度感测IC的区块图》

(图八)中的aSC7512是一个数字风扇控制（digital fan control；DFC），它有兼容于SMBus 2.0的两线数字接口。这个DFC使用一个10-bit ΣΔ ADC来量测远程二极管型式的晶体管（diode-connected transistor）的温度，以及它自己的芯片温度。此芯片具有一个数字滤波器，能让温度的读取更平顺。

《图八 具有SMBus输出的数字温度传感器区块图》

温度转换

SMBus在业界的应用状况良好，但放眼未来，会需要以更高的速度在网络式的架构中进行通讯，并具有更大的弹性，因此，简单串行传输（Simple Serial Transport；SST）总线会在下一代的计算机中被采用。单线SST总线能为PC中的系统控制和管理信息（包含温度和电压）提供更快的沟通方式。

Intel的平台环境控制接口（Platform Environmental Control Interface；PECI）正是解决制程微缩问题的一项技术，它正是从SST衍生出的单线序列总线。PECI将用整合式二极管来取代寄生性二极管，也具有数字式温度计接口。这个芯片上的温度计会记录温度，并以相对于最大温度的比例值来显示。此作法能为下一代的计算机带来散热及噪讯表现上的改善，将在未来的专文中继续探讨它的好处。

border=0>

延伸阅读

border=0> width=13> （下期预告:本专栏系列将介绍如何从桌面计算机及便携计算机中移除热量及减低噪音的技术原理及解决方案，接下来的系列将陆续介绍：做为System Health Bus的SST、PECI和CPU数字温度计、智能型系统控制、电源供应器中的SST以及智能型风扇，敬请期待。作者任职于Andigilog产品应用工程师。） color=#333333>相关介绍请见「 href="http://www.hope.com.tw/Art/Show2.asp?O=200606021604528018&L=CT&U=CTCN">从PC/NB中的电子组件所产生的热量问题已愈来愈严重，因此已成了许多OEM公司所必须审慎因应的议题。风扇是将热量从电源供应器、CPU和硬盘处移除的最基本方法，有时候，这些关键性的区域都会使用到一个风扇，不过，大部分低成本的计算机并不会采用额外的风扇。」一文。 width=13> PWM与DC风扇控制方案比较 color=#333333>你可在「 href="http://www.eettaiwan.com/ART_8800380414_876045_1a3c0845200511.HTM">虽然消费和工业电子对控制系统的技术要求多种多样，但两者之间仍有很多相似之处。市场趋势显示创新研究、先进硅晶制程、更高整合度、更小的封装、无铅化和绿色规划正成为开发新的成功电子产品的关键。这类创新的一个例子就是采用TI公司的单芯片解决方案为CPU和笔记本电脑设计高性能仿真风扇控制。」一文中得到进一步的介绍。 width=13> 消费和工业电子中控制系统的技术要求和解决方案分析在「 href="http://140.114.120.211/trendECS.htm">台湾在计算机信息业及制造的发展极快、产值高，重要明星工业之一，而所衍生之中央处理器所需之散热组件包括风扇及鳍片等产品之制造业在世界市场，据估计每年亦有50亿至100亿之需求，以台湾本土之年需求量就有5亿元之多，因此以全世界性的角度来看，仍有相当大的潜在市场。」一文为你做了相关的评析。

src="file:///C|/Documents and Settings/岫晨/Application Data/Macromedia/Dreamweaver MX 2004/OfficeImageTemp/misc_spacer.gif" width=1>

border=0>

size=2>市场动态

height=13 src="/images/arrow.gif" width=13> class=style4 style3>电子构装散热技术重要性之理由与未来之趋势 color=#333333>相关介绍请见「 href="http://www.national.com/CHT/news/item/0,4042,245,00.html">美国国家半导体（NS）宣布推出两款可让用户选择增益的1.5伏特（V）模拟温度传感器，其特点是可以加强低电压系统的热能管理能力。这两款型号分别为LM94021及LM94022的传感器芯片可提供四个不同增益让用户自行选择，而且还可监控由-50°C至150°C范围内的温度。」一文。 height=13 src="/images/arrow.gif" width=13> NS推出两款1.5V可选择增益的模拟温度传感器 color=#333333>你可在「 href="http://www.eettaiwan.com/ART_8800381104_480502_d9273dc2200511.HTM">Maxim新推出一款五信道温度传感器，可测量四个不同位置的温度，测量精密度达1℃。这四个位置可为CPU、GPU、内存及笔记本电脑的其它位置。MAX6699采用小型16接脚QSOP或TSSOP封装，用户可设置告警输出的温度阈值，为了提高灵活性，这些输出还可作为中断，或者与系统风扇或其它热管理电路相连。」一文中得到进一步的介绍。 height=13 src="/images/arrow.gif" width=13> Maxim推出精密度达1℃的温度传感器 color=#333333>在「 href="http://www.edom.com.tw/tw/index.jsp?m=newsview&id=1248">IC设计暨智能型热管理解决方案供货商Andigilog发表Andigilog ThermalEdge技术，它能为计算机子系统提供精确温度感测、精准系统控制以及风扇噪音和散热管理。Andigilog将开始供应两颗采用ThermalEdge技术的样品组件给桌面计算机、笔记本电脑和其它计算机系统。」一文为你做了相关的评析。

src="/images/misc_spacer.gif" width=1>