采用混合信号FPGA实现智能化热管理

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        引言

       传统上,人们一直采用热敏电阻、热耦或分离式温度测量芯片来测量系统温度。而且,随着系统速度越来越快,系统的相对尺寸越来越小,温度测量也变得越来越重要。

       然而,若需要测量板卡上多个测试点的温度,这些器件的成本会迅速增加。这反过来产生了对高效、紧凑及低价的温度测量方法的迫切需求,其应用范围遍及高速计算机、电信网络交换设备以及工业温度控制,诸如便携式电子产品、生物医学器件、电机控制以及汽车电子。

       由于及时和准确地修正温度在许多应用中都非常关键,当今的智能系统都采用了冷却系统,并根据系统内部情况平衡其运作。这类系统还有其它优点,即可使用板卡上的测温二极管 (或采用二极管接法的晶体管) 跟踪和测量特定器件的温度。这样,当出现温度异常时,就能提示系统的运行情况,指出部件当前运行不正确。而智能系统此时就可作出响应,采取修正措施,并/或向系统管理部分给出超界报警。

        除了完成其它系统管理任务外,当今的混合信号FPGA也是一种智能热管理系统,可让设计人员以低成本轻松、准确地测量多个位置的温度。

       使用混合信号FPGA检查和测量电压

       在研究恒流下二极管绝对温度与其正向电压间的关系时,二极管正向压降随温度的变化大约为2mV/C。为提高测量精度,并排除不同二极管间的差异因素,要利用两个已知的电流值及测量值的比率数据。图1所示为温度对二极管电压和电流的影响。

        该测量值由如下方程表示:

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

        其中,T=绝对温度,DV=二极管在高电流和低电流下的电压差,q=1.602×10-19 库仑 (一个电子的电荷量),n=1(理想因子,这里假定为1),k=1.38×10-23 J/K(波尔兹曼常数),IH = 高电流强度,IL=低电流强度。

         本文采用Actel的混合信号Fusion PSC (可编程系统芯片) 在真实世界的应用来作为案例进行说明。该混合信号FPGA将提供两个已知 (100mA 和 10mA) 的电流源 (见图2),并通过内置的模数转换器 (ADC) 测量电压差。假定二极管处于室温,检定电压差值DV。

采用混合信号FPGA实现智能化热管理

        从方程 (1) 中解出将要送到ADC的转换电压,即如下的方程 (2);进而得到混合信号FPGA所测量出的电压值。

       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

        在室温下,电压值相对较小。混合信号FPGA中的温度监视电路内置一个12.5倍放大器,可将预测信号放大,从而使温度信号的测量更精确。因此,考虑到电压信号到达ADC前会被放大,需要对方程 (2)进行修改,即:

DV = (T * n * k * ln(IH / IL) / q ) *12.5

DV = ( 298 * 0.00019835) * 12.5 = 738 mV

        噪声滤除

        通常,温度测量值都难免包含讨厌的噪声。为去除噪声,通常的做法是将多次测量值平均,并采用这个平均后的结果。好在温度是个变化相对慢的参数,因此测量多次 (常常可达1,000次) 也不必担心实际信号变化。通过过滤系统级噪声,混合信号FPGA能轻松地对这些测量值取平均。所使用的软件工具一般也提供方便的图形用户接口 (GUI),用户可用它来设置平均或过滤因数。

       在确定的温度范围内运行

       既然可以测量出系统内某一位置的温度,那么设计人员该如何使用这个信息呢?

       大多数系统都应在某些温度范围内工作。因此,只有知道系统的这些工作温度范围,才能让系统作出相应的响应。混合信号FPGA能轻松监视平均温度,并将其与用户定义的温度阈值比较,从而设置相应的标志。而且,由于这种FPGA是可编程逻辑器件,因此可设置不同的阈值。

        为说明这一点,我们举个例子。假设用户为一块电信用的线路卡定义了三种工作温度范围:正常、偏热、过热。读取的温度将作为反馈信号去控制系统所需要的冷却量。

采用混合信号FPGA实现智能化热管理

        当平均温度处于“正常”范围,无需对系统进行改变;这时系统工作在理想的条件下,并设置“正常”标志。然而,某些内部或外部因素可能对系统造成影响,致使工作温度从“正常”范围移进“偏热”范围,此时,“正常”标志将被清除,并设置“偏热”标志。虽然这个范围按定义还是有效工作的温度范围,但系统正在接近有可能造成系统损坏的温度。而且,如果此时冷却系统过载或不正常,温度将继续升高,最后导致系统内的线路卡损坏。智能热管理系统就是用于防止这类事情发生。

       系统现在开始采取修正措施。线路卡通知系统主控 (即混合信号FPGA),告之系统温度已升高。系统主控随即提高冷却系统的输出,以抑制温度的攀升;即冷却系统应提高输出,使系统返回到“正常”温度范围,并设置相应的标志。此外,担任主控的混合信号FPGA还可将该热事件及其发生的时间记录到嵌入式的闪存中,供维护人员事后取用。

        当平均温度从“偏热”变成“过热”,混合信号FPGA会采取更严重的措施,因为此时系统已处于极端的危险状态。于是线路卡开始关闭程序,以防止损坏。线路卡此时可向主控发送信号,告诉主控已关闭程序。线路卡发生过热的情况以及发生时间将保存到嵌入式闪存中,供事后调试和故障分析使用。而且,混合信号FPGA会关断线路卡的电源,防止损坏。

        结语

        随着尺寸越来越小、处理速度越来越快的器件大量用于各种应用系统,热管理在当今许多设计中正在成为日益越重要的方面。采用混合信号FPGA,只需外接一些采用二极管接法的晶体管,就可测量一个系统板卡上许多位置的温度。混合信号FPGA还能够过滤噪声信号,从而实现更精确的测量。由于采用了可编程逻辑器件,因此可以建立非常灵活的热窗口 (即不同的温度范围),并给每种窗口定义其独有的系统响应方式,包括对热事件进行简单的时间标记,以及关闭系统,以避免造成永久性热损坏。混合信号FPGA可以简单、低价的方式,将热管理功能集成在全面的系统管理解决方案中。

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