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非挥发性记忆体暂存器:新一代数位温度感测器安全性和可靠性大跃进
 

【作者: Bryce Morgan】2019年11月15日 星期五

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几??每天都有新闻报导谈论某些电子产品因使用不当或因设计不当产生过热,可能导致灾难性问题。尽管过热的产品必然会引起问题,但对无法避免的过热问题,正确的温度管理设计应该是合理、谨慎的成为产品设计的一部分。本文将介绍数位输出(I2C协定)温度感测器中包含的内部用户可程式化设定的暂存器,以及如何使用内建非挥发性记忆体暂存器的数位温度感测器应对这一领域常见的设计挑战。


温度感测器暂存器

我们先来看一下如何设计工业界标准I2C温度感测器的内部暂存器的背景细节。这些I2C温度感测器有时称为符合「LM75型」协议的元件,其中包含4个基本内部暂存器:


· 索引暂存器


· 配置暂存器


· 高温(THIGH)限制暂存器


· 低温(TLOW)限制暂存器



图1 : 了解如何利用数位温度感测器中的非挥发性记忆体暂存器来实现更好的温度管理。
图1 : 了解如何利用数位温度感测器中的非挥发性记忆体暂存器来实现更好的温度管理。

电源启动後,这些暂存器让使用者能够透过主机控制器在初始化过程期间去配置或客制化温度感测器的操作设定,但温度暂存器除外,稍後会详细介绍。指标暂存器允许通过间接「指向」所选暂存器来存取四个暂存器中的一个。配置暂存器、TLOW和THIGH 限制暂存器以及温度暂存器无法透过I2C软体命令直接存取,只能通过使用索引暂存器来存取,如图2所示。



图2 : 图解说明了典型数位输出温度感测器中的标准暂存器
图2 : 图解说明了典型数位输出温度感测器中的标准暂存器

配置暂存器用於控制元件的关键操作模式和设定,例如温度转换解析度、温度误差伫列、ALERT接脚极性、警报恒温模式和关机模式。市场上的一些元件也具有单触发模式。单触发模式是一种节能模式,允许元件退出待机模式进行温度测量、更新温度暂存器,然後返回待机模式。


温度暂存器是一个唯读暂存器,用於储存最新温度测量的数位化值,只需读取即可了解最新的温度测量值。温度暂存器可以随时读取,由於温度测量是在背景下执行的,因此读取温度暂存器不会影响正在进行的任何其他操作。


TLOW和THIGH温度限制暂存器用以储存使用者设定的计温度下限和温度上限以用於温度警报。图3显示典型的温度曲线。例如,如果用户将TLOW和THIGH温度限制暂存器分别设置为50。C和85。C,温度感测器将设置标志并可以驱动其输出接脚,以便在超过任一限制值时通知主机控制器。



图3 : 该图显示出温度测量值,包括温度超出TLOW和THIGH温度限制暂存器的值。
图3 : 该图显示出温度测量值,包括温度超出TLOW和THIGH温度限制暂存器的值。

挥发性记忆体暂(RAM)暂存器面临的挑战

我们已经介绍了一些基本操作,现在讨论一下设置这些暂存器的常见问题。第一个问题是这些用户可程式化暂存器是属於挥发性记忆体类型暂存器,这意味着一旦断电,暂存器储存的资料值就不会被保存或保留。


由於这些挥发性记忆体暂存器必须在每次系统启动和初始化期间更新,这就有可能会产生不可靠的高风险时脉事件,进而无意间对这些暂存器进行错误配置,将其设定为可能导致产品出现严重散热问题的错误设定。您是否想过产品在其整个生命周期中被启动多少次?对於某些产品,它可能是数百次,而其他产品可能是数千次,在启动顺序期间出现错误的可能性更高。这是一个严重的问题。


在上面提供的例子中,TLOW和THIGH温度限制暂存器分别设置为50。C和85。C;但是,如果THIGH温度限制暂存器由於系统杂讯在启动顺序期间无意中设定为185。C,并导致只有一个数位位元被设定为逻辑1状态,将会发生什麽?这种不良事件可能不会导致系统过热後温度升至着火点,但它肯定会导致系统效能欠隹,甚至可能十分糟糕。如今,对於许多产品而言,在启动顺序期间涉及很多内容,包括产品中主要模组和元件的时脉。这些事件的时脉对於实现正确的最终用户操作非常关键。


这导致了下一个问题:客户有多少次退回您的某个产品进行故障分析,但是故障模式却无法再现?此产品在您工厂进行重新测试时能够正常工作,因此将为客户返回内容为「未发现问题」的报告。严谨产品设计的众多目标之一是考虑最终客户可能看到的潜在故障模式中的「假设」,并尝试在产品验证中透过设计或功能实现消除它们,然後再发布给客户。在使用分离式温度感测器时,无论协定类型或技术如何,此方案都会确定您的下一个产品设计中需要考虑的全新“假设”情况。


非挥发性记忆体(EEPROM)暂存器:改变温度管理规则

这些问题的潜在解决方案是使用不仅包含挥发性暂存器,还包含整合的非挥发性记忆体暂存器的温度感测器,如图4所示。



图4 : 启动时,温度限制暂存器的内容将由Microchip的AT30TS750A数位温度感测器中的非挥发性记忆体自动复制。
图4 : 启动时,温度限制暂存器的内容将由Microchip的AT30TS750A数位温度感测器中的非挥发性记忆体自动复制。

如您所见,配置暂存器和高低温限制暂存器均整合在各自拥有的非挥发性暂存器。非挥发性暂存器透过使用预先定义的启动预设值实现简单的「随??即用」操作,进而改善温度感测器的功能。即使在元件再重复上电後,非挥发性暂存器也会保留设定和温度限制设定,无需在每次上电操作後重新设定温度感测器。


这一解决方案透过程式设计温度感测器的整合非挥发性TLOW和非挥发性THIGH温度限制暂存器工作,例如分别为50。C和85。C。这些温度限值储存在非挥发性记忆体中,确保温度限值,以便在随後的启动顺序中,温度感测器只需在内部将先前预程式设计的非挥发性THIGH和非挥发性TLOW温度限制暂存器中的85。C和50。C值复制到相应的挥发性THIGH和TLOW温度限制暂存器。


您可能想知道这种解决方案如何在启动期间解决挥发性暂存器设置的损坏问题。


答案是主机控制器将可不再需要透过I2C通信汇流排的控制协定,在每次的启动顺序期间重新设置挥发性暂存器,这样便可完全消除暂存器损坏的风险,因为没有主机控制器到温度软体的协定。这简化了系统启动顺序,同时减少或消除了设定时对主机控制器的依赖性,因而使系统更加可靠。额外的灵活性允许温度感测器独立运行,而不是依靠主机控制器进行元件设定。


提高所述解决方案可靠性的另一种方法是,将非挥发性暂存器中的暂存器锁定功能与可逆或永久性设定整合,以避免错误地设定非挥发性暂存器。这种暂存器锁定功能(例如AT30TS750A中的功能)可实现永久温度感测器设定,并能够透过防篡改设定消除风险,进而降低产品责任风险。


如今,任何提高产品可靠性同时降低责任风险的方法都是双赢的商业惯例。


此外,还能够可逆地或永久地锁定整合非挥发性暂存器,以便在未来出现错误设定或资料篡改时避免更改任何暂存器资料,这将显着提高非挥发性暂存器在产品中的价值,同时还可提高系统可靠性和安全性。


总结

希??您现在更清楚地理解温度管理的几个设计考虑因素。对挥发性记忆体暂存器的担??多年来一直困扰着工程师,但新型数位温度感测器(如Microchip的AT30TS750A)整合了非挥发性记忆体暂存器,使设计人员能够摆脱这一由来已久的问题的困扰,同时在温度管理方面取得新的进步。


(本文作者Bryce Morgan为Microchip 混合讯号及县性产品部门产品行销经理)


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