溫度量測的方法

一個固定的正向電流（IF）流過電晶體的二極體電路（diode-configured）來提供適度準確的溫度指示。基於電晶體的定義公式，PN接合面（PN junction）的溫度敏感性，使Vbe或VF 在-55oC 到 150oC溫度範圍之間呈現相當線性化的特徵。(圖一)顯示這種方法的簡單電路圖。很多早期的矽製程感測器只使用單一電流就能獲得3℃上下的準確度。

《圖一　透過可配置性二極體電晶體恆定正向電流量測溫度的簡單電路圖》

（圖註:裝置一個雙極（bipolar）電晶體來做為溫度感測器，從基極（base）短路到集極（collector），一個固定電流從基極到射極（emitter）會產生正向壓降（VF），此壓降和溫度成正比）

與熱電偶（thermocouple）或溫度阻抗型裝置（resistance temperature device；RTD）相較之下，半導體感測器的溫度係數顯得稍微高一些。這個半導體感測器在不同的溫度時有不同的偏置值（offset），不過，半導體接合面電壓（junction voltage）對應於溫度的情況比熱電偶、熱敏電阻（thermistor）或RTD都還要更具有線性化的特徵。(圖二)顯示在－40℃到150℃的操作溫度範圍內Vbe對溫度的線性特徵。(圖三)顯示基於0.1mA固定集極電流的量測下，線性誤差（linearity error）與溫度值的對應狀況。更高的恆定電流值會造成本身溫度的上升，Vbe與電流的變異狀況請參考(圖四)。

《圖二　溫度感測器的基極－射極電壓vs.環境溫度》

《圖三　二極體溫度感測器的線性誤差（mV）vs. Vbe的溫度值》

《圖四　基極－射極（base-emitter）電壓vs.集極－射極（collector-emitter）電流》

一種更先進的方法是使用二組電流再減去其電壓差異來得出更為線性的ΔVbe，這個差異值（在毫伏特的範圍）會以約50mV/℃的縮放因數（scale factor）來放大。ΔVbe技術使用能帶間隙（bandgap）來產生參考值，這個參考值有自己相對於溫度的曲線，並會帶來額外的問題。(圖五)顯示ΔVbe技術採用的電路。

《圖五　由兩個二極體連結型式的電晶體組成的差動電路來構成一個獨立於來源電流變動的溫度感測器》

要對ΔVbe進行量測，電路會以相當高的速率（約50kHz）在高電流和低電流之間來回切換，轉換器會對兩個數值間的差異進行取樣，以操作電壓對溫度的轉換。

關於二極體溫度對應於在兩個驅動電流的溫度二極體的電壓改變值公式如下：

ΔVBE=(nf)KT/q*ln(N) （1）

其中：

nf＝二極體非理想參數（理想因子nominal為1.008）

K＝Boltzman常數（1.38x10-23）

T＝二極體結溫度（Kelvins溫度）

q＝電子電荷（1.6x10-19庫倫）

N＝二個驅動電流的比率（16）

從基板二極體得出溫度

在今日的PC中，幾乎所有的量測都使用ΔVbe技術，其中的一個二極體是處理器基板二極體（substrate diode）。這個基板二極體是一個寄生性PNP電晶體，它的集極透過基板接地，基極（D-）和射極（D+）則帶出接腳。當製程從90nm微縮到65nm或更小時，這個二極體變得愈來愈不是個理想的二極體，反而是一個可能造成準確性議題的不良電晶體，其增益beta值甚至會小於1。準確度的降低從90nm的等級開始出現。除了beta值的變異外，漏電也是問題的一部分。由於這個二極體是一個寄生性雙極元件，並非主流處理器設計焦點的一部分，所以相較於那些以GHz速率在開關的數以億計電晶體來說，它所得到的關注是很小的。雖然處理器設計師計畫加上一顆晶片上的溫度計來獲得與溫度成比例的數位值，但溫度感測器仍然是一項挑戰。

溫度準確度問題

使用基板二極體來量測溫度時需要額外的電路，(圖六)顯示出與外部IC的典型連結作法。在ΔVbe量測的輸入中，一般模式（common-mode）和差異性噪訊（differential noise）會直接影響電壓的改變。當輸入的噪訊愈大，溫度的顯示值就愈高。一般來說，一個跨接在感測器的二極體輸入接腳的1nF電容器能夠避開多數的問題，在這元件內的濾波器則可以移除高頻噪訊。

《圖六　CPU遠端二極體連結到對外部電路》

外加的溫度感測電路包括一個具有一些參考值的類比轉數位轉換器（ADC），多數的ADC採用最少的電路來設計簡單的ΣΔ電路。要具備將ΔVbe值轉成數字的能力，必須仰賴一組不會隨溫度而改變的參考值。這不是個小問題，決定ΔVbe的量測準確與否的關鍵，正在於這組參考值能否良好的被控制，並對差異值做出校正，而不用再去煩惱在環境溫度下，遠端電晶體發生了什麼事。電路板的布局（layout）也可能影響噪訊現象，所以得尋求供應商針對如何降低處理基板二極體輸出的各種電路中的噪訊所提出的建議。

從外部電路到CPU接腳的連結中的任何阻抗，都可能對二極體電壓產生偏置值而影響量測的結果。這個偏置值對於溫度來說可以視為相對恆定的值。一個近似的值可以透過以下公式來計算：

ΔTR = RS×TV×ΔID

Or

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

其中：

ΔTR＝實際讀出的溫度差異

R＝全部互連的串連阻抗（both leads）

ΔID＝兩個二極體電流等級的差異（90μA）

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

舉例來說，當全部串連阻抗是10Ω時，將產生+3.9℃的偏置值。

CPU上的熱點（hot spots）是今日與未來處理器的基本設計問題。這個用來量測的寄生二極體位於妥協考量下的位置，而不是實際資料流動的局部高熱點－這才是最適當量測區域。因此在讀到的溫度值和實際熱點上的溫度之間，很容易就發生約10℃的溫度差異，這要視兩者相隔的距離而定。此外，熱點並不是一直都在相同的區域，它會經常的改變。對於單核心來說，這是事實；當走向多核心時，情況只會更糟，即使採用了多個感測器也不能完全解決這個問題。

數位溫度感測

今日的IC已發展到能夠處理基板二極體的輸出，並將此資訊透過多數電腦中常見的系統管理匯流排（System Management Bus；SMBus）來轉換為傳遞用的數位格式，以下兩個範例包含了數位溫度感測器和更複雜的數位風扇控制。

以aSC7511為例，它是一顆低電壓的兩線數位式溫度感測器（digital temperature sensor, DTS），這顆DTS的溫度感測電路會持續地監控內部溫度二極體的基極－射極電壓，以及連結到D+和D-接腳的遠端二極體。這個晶片將兩個類比電壓轉換為數位值，並將此資料放到溫度暫存器。使用與SMBus相容的序列式介面，用戶就可以取得溫度暫存器中的資料。此外，這個序列式介面也讓用戶更容易連上其他的aSC7511暫存器，並對其控制進行客製化的動作。

《圖七　包含內部ADC、SMBus輸出和溫度警示的數位溫度感測IC的區塊圖》

(圖八)中的aSC7512是一個數位風扇控制（digital fan control；DFC），它有相容於SMBus 2.0的兩線數位介面。這個DFC使用一個10-bit ΣΔ ADC來量測遠端二極體型式的電晶體（diode-connected transistor）的溫度，以及它自己的晶片溫度。此晶片具有一個數位濾波器，能讓溫度的讀取更平順。

《圖八　具有SMBus輸出的數位溫度感測器區塊圖》

溫度轉換

SMBus在業界的應用狀況良好，但放眼未來，會需要以更高的速度在網路式的架構中進行通訊，並具有更大的彈性，因此，簡單序列傳輸（Simple Serial Transport；SST）匯流排會在下一代的電腦中被採用。單線SST匯流排能為PC中的系統控制和管理資訊（包含溫度和電壓）提供更快的溝通方式。

Intel的平台環境控制介面（Platform Environmental Control Interface；PECI）正是解決製程微縮問題的一項技術，它正是從SST衍生出的單線序列匯流排。PECI將用整合式二極體來取代寄生性二極體，也具有數位式溫度計介面。這個晶片上的溫度計會記錄溫度，並以相對於最大溫度的比例值來顯示。此作法能為下一代的電腦帶來散熱及噪訊表現上的改善，將在未來的專文中繼續探討它的好處。

（下期預告:本專欄系列將介紹如何從桌上型電腦及可攜式電腦中移除熱量及減低噪音的技術原理及解決方案，接下來的系列將陸續介紹：做為System Health Bus的SST、PECI和CPU數位溫度計、智慧型系統控制、電源供應器中的SST以及智慧型風扇，敬請期待。作者任職於Andigilog產品應用工程師。）

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延 伸 閱 讀

border=0> width=13> 從PC/NB中的電子元件所產生的熱量問題已愈來愈嚴重，因此已成了許多OEM公司所必須審慎因應的議題。風扇是將熱量從電源供應器、CPU和硬碟處移除的最基本方法，有時候，這些關鍵性的區域都會使用到一個風扇，不過，大部分低成本的電腦並不會採用額外的風扇。 color=#333333>相關介紹請見「 href="http://www.hope.com.tw/Art/Show2.asp?O=200606021604528018&L=CT&U=CTCN">PWM與DC風扇控制方案比較」一文。 width=13> 雖然消費和工業電子對控制系統的技術要求多種多樣，但兩者之間仍有很多相似之處。市場趨勢顯示創新研究、先進矽晶製程、更高整合度、更小的封裝、無鉛化和綠色規劃正成為開發新的成功電子產品的關鍵。這類創新的一個例子就是採用TI公司的單晶片解決方案為CPU和筆記型電腦設計高性能模擬風扇控制。 color=#333333>你可在「 href="http://www.eettaiwan.com/ART_8800380414_876045_1a3c0845200511.HTM">消費和工業電子中控制系統的技術要求和解決方案分析」一文中得到進一步的介紹。 width=13> 台灣在電腦資訊業及製造的發展極快、產值高，重要明星工業之一，而所衍生之中央處理器所需之散熱元件包括風扇及鰭片等產品之製造業在世界市場，據估計每年亦有50億至100億之需求，以台灣本土之年需求量就有5億元之多，因此以全世界性的角度來看，仍有相當大的潛在市場。在「 href="http://140.114.120.211/trendECS.htm">電子構裝散熱技術重要性之理由與未來之趨勢」一文為你做了相關的評析。

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size=2>市場動態

height=13 src="/images/arrow.gif" width=13> class=style4 style3>美國國家半導體（NS）宣佈推出兩款可讓用戶選擇增益的1.5伏特（V）類比溫度感應器，其特點是可以加強低電壓系統的熱能管理能力。這兩款型號分別為LM94021及LM94022的感應器晶片可提供四個不同增益讓用戶自行選擇，而且還可監控由-50°C至150°C範圍內的溫度。 color=#333333>相關介紹請見「 href="http://www.national.com/CHT/news/item/0,4042,245,00.html">NS推出兩款1.5V可選擇增益的類比溫度感應器」一文。 height=13 src="/images/arrow.gif" width=13> Maxim新推出一款五通道溫度感應器，可測量四個不同位置的溫度，測量精密度達1℃。這四個位置可為CPU、GPU、記憶體及筆記型電腦的其它位置。MAX6699採用小型16接腳QSOP或TSSOP封裝，用戶可設置告警輸出的溫度閾值，為了提高靈活性，這些輸出還可作為中斷，或者與系統風扇或其它熱管理電路相連。 color=#333333>你可在「 href="http://www.eettaiwan.com/ART_8800381104_480502_d9273dc2200511.HTM">Maxim推出精密度達1℃的溫度感應器」一文中得到進一步的介紹。 height=13 src="/images/arrow.gif" width=13> IC設計暨智慧型熱管理解決方案供應商Andigilog發表Andigilog ThermalEdge技術，它能為電腦子系統提供精確溫度感測、精準系統控制以及風扇噪音和散熱管理。Andigilog將開始供應兩顆採用ThermalEdge技術的樣品元件給桌上型電腦、筆記型電腦和其它電腦系統。 color=#333333>在「 href="http://www.edom.com.tw/tw/index.jsp?m=newsview&id=1248">Andigilog ThermalEdge技術利用智慧型熱管理解決方案讓電腦散熱更好、更安靜和更可靠」一文為你做了相關的評析。

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