采用混合信號FPGA實現(xiàn)智能化熱管理

引言

　　傳統(tǒng)上，人們一直采用熱敏電阻、熱耦或分離式溫度測量芯片來測量系統(tǒng)溫度。而且，隨著系統(tǒng)速度越來越快，系統(tǒng)的相對尺寸越來越小，溫度測量也變得越來越重要。

　　然而，若需要測量板卡上多個測試點的溫度，這些器件的成本會迅速增加。這反過來產(chǎn)生了對高效、緊湊及低價的溫度測量方法的迫切需求，其應(yīng)用范圍遍及高速計算機、電信網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備以及工業(yè)溫度控制，諸如便攜式電子產(chǎn)品、生物醫(yī)學(xué)器件、電機控制以及汽車電子。

　　由于及時和準確地修正溫度在許多應(yīng)用中都非常關(guān)鍵，當今的智能系統(tǒng)都采用了冷卻系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部情況平衡其運作。這類系統(tǒng)還有其它優(yōu)點，即可使用板卡上的測溫二極管 (或采用二極管接法的晶體管) 跟蹤和測量特定器件的溫度。這樣，當出現(xiàn)溫度異常時，就能提示系統(tǒng)的運行情況，指出部件當前運行不正確。而智能系統(tǒng)此時就可作出響應(yīng)，采取修正措施，并/或向系統(tǒng)管理部分給出超界報警。

　　除了完成其它系統(tǒng)管理任務(wù)外，當今的混合信號FPGA也是一種智能熱管理系統(tǒng)，可讓設(shè)計人員以低成本輕松、準確地測量多個位置的溫度。

　　使用混合信號FPGA檢查和測量電壓

　　在研究恒流下二極管絕對溫度與其正向電壓間的關(guān)系時，二極管正向壓降隨溫度的變化大約為2mV/C。為提高測量精度，并排除不同二極管間的差異因素，要利用兩個已知的電流值及測量值的比率數(shù)據(jù)。圖1所示為溫度對二極管電壓和電流的影響。

　　該測量值由如下方程表示：

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

　　其中，T=絕對溫度，DV=二極管在高電流和低電流下的電壓差，q=1.602×10-19 庫侖 (一個電子的電荷量)，n=1(理想因子，這里假定為1)，k=1.38×10-23 J/K(波爾茲曼常數(shù))，IH = 高電流強度，IL=低電流強度。

　　本文采用Actel的混合信號Fusion PSC (可編程系統(tǒng)芯片) 在真實世界的應(yīng)用來作為案例進行說明。該混合信號FPGA將提供兩個已知 (100mA 和 10mA) 的電流源 (見圖2)，并通過內(nèi)置的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 測量電壓差。假定二極管處于室溫，檢定電壓差值DV。

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從方程 (1) 中解出將要送到ADC的轉(zhuǎn)換電壓，即如下的方程 (2)；進而得到混合信號FPGA所測量出的電壓值。

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[!--empirenews.page--]

　　在室溫下，電壓值相對較小。混合信號FPGA中的溫度監(jiān)視電路內(nèi)置一個12.5倍放大器，可將預(yù)測信號放大，從而使溫度信號的測量更精確。因此，考慮到電壓信號到達ADC前會被放大，需要對方程 (2)進行修改，即：

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

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

　　噪聲濾除

　　通常，溫度測量值都難免包含討厭的噪聲。為去除噪聲，通常的做法是將多次測量值平均，并采用這個平均后的結(jié)果。好在溫度是個變化相對慢的參數(shù)，因此測量多次 (常常可達1,000次) 也不必擔(dān)心實際信號變化。通過過濾系統(tǒng)級噪聲，混合信號FPGA能輕松地對這些測量值取平均。所使用的軟件工具一般也提供方便的圖形用戶接口 (GUI)，用戶可用它來設(shè)置平均或過濾因數(shù)。

　　在確定的溫度范圍內(nèi)運行

　　既然可以測量出系統(tǒng)內(nèi)某一位置的溫度，那么設(shè)計人員該如何使用這個信息呢？

　　大多數(shù)系統(tǒng)都應(yīng)在某些溫度范圍內(nèi)工作。因此，只有知道系統(tǒng)的這些工作溫度范圍，才能讓系統(tǒng)作出相應(yīng)的響應(yīng)?；旌闲盘朏PGA能輕松監(jiān)視平均溫度，并將其與用戶定義的溫度閾值比較，從而設(shè)置相應(yīng)的標志。而且，由于這種FPGA是可編程邏輯器件，因此可設(shè)置不同的閾值。

　　為說明這一點，我們舉個例子。假設(shè)用戶為一塊電信用的線路卡定義了三種工作溫度范圍：正常、偏熱、過熱。讀取的溫度將作為反饋信號去控制系統(tǒng)所需要的冷卻量。

　　當平均溫度處于“正常”范圍，無需對系統(tǒng)進行改變；這時系統(tǒng)工作在理想的條件下，并設(shè)置“正常”標志。然而，某些內(nèi)部或外部因素可能對系統(tǒng)造成影響，致使工作溫度從“正常”范圍移進“偏熱”范圍，此時，“正常”標志將被清除，并設(shè)置“偏熱”標志。雖然這個范圍按定義還是有效工作的溫度范圍，但系統(tǒng)正在接近有可能造成系統(tǒng)損壞的溫度。而且，如果此時冷卻系統(tǒng)過載或不正常，溫度將繼續(xù)升高，最后導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的線路卡損壞。智能熱管理系統(tǒng)就是用于防止這類事情發(fā)生。

　　系統(tǒng)現(xiàn)在開始采取修正措施。線路卡通知系統(tǒng)主控 (即混合信號FPGA)，告之系統(tǒng)溫度已升高。系統(tǒng)主控隨即提高冷卻系統(tǒng)的輸出，以抑制溫度的攀升；即冷卻系統(tǒng)應(yīng)提高輸出，使系統(tǒng)返回到“正常”溫度范圍，并設(shè)置相應(yīng)的標志。此外，擔(dān)任主控的混合信號FPGA還可將該熱事件及其發(fā)生的時間記錄到嵌入式的閃存中，供維護人員事后取用。

　　當平均溫度從“偏熱”變成“過熱”，混合信號FPGA會采取更嚴重的措施，因為此時系統(tǒng)已處于極端的危險狀態(tài)。于是線路卡開始關(guān)閉程序，以防止損壞。線路卡此時可向主控發(fā)送信號，告訴主控已關(guān)閉程序。線路卡發(fā)生過熱的情況以及發(fā)生時間將保存到嵌入式閃存中，供事后調(diào)試和故障分析使用。而且，混合信號FPGA會關(guān)斷線路卡的電源，防止損壞。

　　結(jié)語

　　隨著尺寸越來越小、處理速度越來越快的器件大量用于各種應(yīng)用系統(tǒng)，熱管理在當今許多設(shè)計中正在成為日益越重要的方面。采用混合信號FPGA，只需外接一些采用二極管接法的晶體管，就可測量一個系統(tǒng)板卡上許多位置的溫度。混合信號FPGA還能夠過濾噪聲信號，從而實現(xiàn)更精確的測量。由于采用了可編程邏輯器件，因此可以建立非常靈活的熱窗口 (即不同的溫度范圍)，并給每種窗口定義其獨有的系統(tǒng)響應(yīng)方式，包括對熱事件進行簡單的時間標記，以及關(guān)閉系統(tǒng)，以避免造成永久性熱損壞。混合信號FPGA可以簡單、低價的方式，將熱管理功能集成在全面的系統(tǒng)管理解決方案中。