Использование Silego GreenPAK для создания системы температурного зондирования
В этом проекте мы проверим, как Silego GreenPAK можно использовать для создания системы температурного зондирования.
Цель этого эксперимента - проверить удобство использования устройства GreenPAK в приложении для измерения температуры, особенно для процессоров ЦП, где температурный домен составляет от 25 ° C до 100 ° C. В системе температурного зондирования используется дистанционный температурный датчик 2N3904 (с диодным подключением) и логика управления, реализованная в устройстве GreenPAK. Целью является достижение внутренней температуры +/- 1 ° C с использованием чипа SLG46537.
Image
Рисунок 1. Схема приложения для датчика температуры, который реализует двухтоковый метод
теория
Двухтоковый метод
Двухтоковый метод представляет собой метод вычитания напряжения с использованием двух источников тока, диода, конденсатора и переключателей FET (см. Рис. 1). Он предназначен для усиления разности напряжений на диоде, вызванных двумя различными токами I_L и I_H.
Прямое напряжение диода изменяется в зависимости от индуцированного током электронного поля через диод. Вычитая прямое напряжение при двух известных токах, мы можем исключить общие переменные, такие как смещение и ток насыщения. Ток прямого смещения I D диода связан с током I s насыщения и прямым напряжением V D уравнением:
I D = I s e V D / ηV T
Где η - коэффициент идеальности диода и V T = kT / q. k - постоянная Больцмана, q ì постоянная заряда электрона. Для этого примера I_H будет ток смещения I 1, а I_L будет ток смещения I 2. Таким образом, уравнения их прямого смещения равны соответственно:
I 1 = I s e V 1 / ηV T I 2 = I s e V 2 / ηV T
Разделив двунаправленные уравнения тока смещения, мы устраним ток насыщения и уменьшим входные переменные тока до скалярного коэффициента N.
I 1 / I 2 = N = e (V 1 -V 2) / ηV T
Если N известно, то, измеряя разность между V1 и V2, мы можем рассчитать температуру T.
ln (N) = (V 1 -V 2) q / (ηkT)
T = (V 1 -V 2) q / (ηkln (N))
Коэффициент идеальности η
В то время как k и q являются константами и не меняются от части к части, коэффициент идеальности η изменяется между значениями 1 и 2. Чем ближе это значение к 1, тем больше преобладает диффузия носителей. Чем ближе это значение к 2, тем больше рекомбинации доминирует. Чем выше это значение, тем более ошибочные измерения температуры, потому что температура будет сильно влиять на рекомбинацию, но не на диффузию. (1)
При выборе удаленного температурного диода удаленные диодно-связанные транзисторы-BJT, в которых соединение с базовым коллектором закорочены, лучше, чем выпрямительные диоды, потому что их значения идеальности указаны. Почти все транзисторы BJT имеют коэффициент идеальности, близкий к 1.
Другими важными параметрами являются коэффициент усиления прямого тока β и последовательное сопротивление R s. Коэффициент усиления прямого тока зависит от температуры и тока коллектора, а последовательное сопротивление представляет собой постоянное смещение при всех температурах. Рекомендуется выбрать устройство, у которого β не меняется между двумя токами I_H и I_L.
Цепочка эксперимента
Цель эксперимента - измерить отклонение температуры в целом путем тестирования нескольких точек: 40 ° C, 60 ° C и 80 ° C.
На рисунке 2 показана блок-схема схемы приложения, использованной в эксперименте.
Image
Рисунок 2. Блок-схема GPAK для схемы приложения температурного зондирования
Резисторы R3 и R4 обеспечивают токи I_H и I_L на рисунке 1. Переключатели NMOS и PMOS являются внутренними для GreenPAK (PIN 13 и PIN 15). Внутренний дизайн GreenPAK показан на рисунке 3 и дает время обновления 10 мс для этого датчика.
Image
Рисунок 3. Внутренний дизайн GPAK
Конденсатор C4 заряжается I_L, когда NMOS вытягивается на низком уровне, а PMOS плавает. C4 заряжается I_H, когда PMOS вытягивается высоко, а NMOS плавает. Логика управления системой запрограммирована так, чтобы обеспечить время мертвой зоны между временем включения NMOS и PMOS, чтобы получить разность напряжений на C4.
Это различие входит в вход IN + для операционного усилителя (SLG88103 Silego). Форма сигнала напряжения на C4 показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Форма сигнала напряжения на C4
PIN 7 устройства GPAK подключается к делителю напряжения с переменным сопротивлением (потенциометром тримпота), который используется для регулировки напряжения переключения аналогового компаратора ACMP0 во внутренней конструкции GPAK. Напряжение переключения - это момент, когда напряжение на ПИН-7 достигает напряжения на ПИН-6 (выходное напряжение ОУ). Выходное напряжение op-amp (и, следовательно, напряжение переключения ACMP0) различно для разных температур.
Поэтому в эксперименте сопротивление P1 настраивается до момента переключения. На основе измеренного сопротивления потенциометра P1 можно вычислить напряжение переключения ACMP0 (Vref).
Результаты
Ошибка, вызванная GPAK (точность измерения температуры), измеряется путем тестирования выхода на нескольких устройствах (три устройства GPAK). Результаты испытаний для трех схем датчиков с одним другим компонентом (устройство GPAK5) записаны в таблицах 1, 2 и 3, где:
Температуру в духовке измеряют с помощью термопары.
Сопротивление P1 измеряется с помощью мультиметра fluke.
Величины Vref рассчитываются на основе значения сопротивления P1.
Таблица 1. GPAK5_1
Image
Таблица 2. GPAK5_2
Image
Таблица 3. GPAK5_3
Image
Результаты далее суммируются с графиками на рисунке 2.
Image
Рисунок 2. Графики, основанные на измерениях трех датчиков с различным устройством GPAK
Рисунок 2 показывает, что датчики 2 и 3 дают линейные графики, которые перекрываются, в то время как датчик 1 дает линию, которая очень близка к представленной линейной линии тренда для датчика 1.
Наклон графиков для датчиков 2 и 3, а также линия тренда для датчика 1 составляет 1, 7 мВ на 1 ° C (между T = 40 ° C и T = 80 ° C). Максимальная разница между измерениями трех устройств GPAK составляет 2 мВ. Это означает, что GPAK вводит частичную ошибку около 1 ° C.
Источники ошибок
Аналоговый компаратор
Конструкция GreenPAK предполагает, что вариация «часть-часть», скорее всего, будет происходить от аналогового компонента компаратора (ACMP0). Настройки ACMP0 в проекте для этого приложения:
IN + источник: pin6
IN-: Ext. Vref (pin7)
IN + gain = 1
Гистерезис: отключить.
Напряжение смещения ACMP (и, следовательно, напряжение переключения) изменяется с температурой и напряжением питания. Заключение эксперимента основано на измерениях образца GPAK из трех слишком мало для статистического анализа.
В качестве типичного представления мы можем использовать данные Silego ACM Offset Voltage Silego, которые основаны на наборе из 35 компонентов, проверенных по температуре и напряжению. Результаты смещения ACMP компонента для Ext. Vref = 600 мВ и напряжения питания 5 В, измеренные при комнатной температуре, показаны в таблице 4.
Таблица 4
Image
Таблица 4. Измерение смещения ACMP для Ext. Vref = 600mV_AutoPWR, 35 компонентов, Комнатная температура
Вычисления Vaultset Силего основаны на приведенном ниже уравнении:
V offset = max (| V ref, Ext -V ih |, | V ref, Ext -V il |) Точность данных +/- 0, 2 мВ
Результаты испытаний на основе 35 компонентов показывают, что смещение ACMP может составлять до 4, 366 мВ, что может привести к ошибке до 2, 5 ° C.
Компонент 2N3904
Параметры транзистора, которые влияют на точность измерения температуры (удаленная точность), представляют собой коэффициент усиления прямого тока β (I) и последовательное сопротивление R s. Основываясь на данных лаборатории Microchip для 2N3904, эти параметры оказывают небольшое влияние на точность измерения температуры во всем диапазоне источников тока датчика (4.5-920uA). (1)
На рисунке 3 показаны типичные бета-значения транзисторов, протестированных Microchip, и их можно использовать в качестве типичного представления для ограниченного количества транзисторов 2N3904. (1) Уравнение 3 дает температурную погрешность из-за проиллюстрированного изменения бета около 0, 02 ° C при 80 ° C. Аналогично, использование данных Microchip для R s набора 2N3904 (около 0, 7 Ом) с уравнением 4 дает температурную погрешность из-за Rs около 0, 8 ° C. (1)
Image
Рисунок 3. Типичные значения бета для транзисторов 2N3904 при 23 ° C (данные лаборатории Microchip)
ImageImage
Рассмотрение Op-Amp
SLG88103 смещение напряжения обычно составляет 0, 35 мВ (до 2, 4 мВ для VCM вблизи VSS (земля)), а также обычно 0, 16 мВ (T = 80 ° C) для добавления смещения дрейфа с температурой. Типичные значения вводят небольшую ошибку, исходящую от op-amp для этого приложения. Однако, имея в виду максимальное значение смещения, op-amp SLG88103 может ввести ошибку более 1 ° C.
Вывод
Система измерения температуры, которая используется в эксперименте, дает выходное усиление 1, 7 (мВ / ° C).
Результаты испытаний, основанные на выборке из трех устройств GreenPAK, свидетельствуют о том, что внедрение GreenPAK в систему температурного контроля приводит к ошибке около 1 ° C.
Основные характеристики датчика основаны на результатах эксперимента, где температурный домен предназначен для дистанционного датчика, а внутренняя температурная система с GreenPAK была сохранена при комнатной температуре во время эксперимента. Чтобы просмотреть заметку приложения и файл проекта для этого проекта, нажмите здесь.
Основные функции GreenPAK
Температурный домен (25 ° C - 100 ° C)
точность
± 1 ° C Точность удаленной температуры (точность датчика 2N3904)
± 1, 5 ° C Точность внутренней температуры
Напряжение питания 1, 7 В -5, 5 В
Время обновления 10 мс
1, 7 (мВ / ° C) Выходная мощность
29μA Ток покоя
источники
(1) Руководство по выбору удаленного датчика теплового зондирования, SMSC AN12.14
Отраслевые статьи - это форма контента, которая позволяет отраслевым партнерам делиться полезными новостями, сообщениями и технологиями с читателями All About Circuits таким образом, что редакционный контент не очень подходит. Все отраслевые статьи подчиняются строгим редакционным правилам с целью предоставления читателям полезных новостей, технических знаний или историй. Точки зрения и мнения, выраженные в отраслевых статьях, являются точками партнера, а не обязательно для All About Circuits или его авторов.
