宽测量范围温度敏感IC

2004年7月B版

　　外接的一只双极型晶体管作为敏感元件的数字式“远端放置”温度传感器，是多年以来人们倚重的、用以检测高速、高性能芯片(如微处理器、图形处理器和FPGA等)温度的一种敏感器件。对于保证最佳性能和防止灾难性事故而言，精确的温度监控具有关键意义。温度监测装置协助系统对风扇进行控制并实现时钟减速(clock throttling)功能，以便让高性能IC的工作温度保持在必要的范围之内。温度更高时，可以用它来关闭系统以防止出现故障。随着性能和功率水平的提高，远程温度监控功能变得越来越重要，其实现也越来越困难。

　　几乎所有传统数字温度传感器IC的上限都小于128℃，很多传感器的极限都小于100℃。在许多情况下，传统传感器的极限已经够用了，但有时需要测量高达150℃的温度，在这些情况下，需要采用宽测量范围的温度传感器。

　　典型的数字式温度传感器IC以一个符号位和8个大小位来表示温度，最低位表示的温度为1℃，而最高位表示64℃。最高位为64℃的表示方法将最大的可测量温度限制在128℃以下。

　　一个宽测量范围温度传感器可以测量的量值应远远高出128℃这一极限——常常要达到150℃。采用权重为128℃的最高位是实现这一目标最方便的办法，此时，温度范围被拓宽到255℃，远远超出了有用范围。由于测量温度的半导体结的特性限制，温度在约150℃ 以上时测量精度会迅速降低。

　　对于电路板的温度监测而言，127℃以上的温度是不可能遇到的。但微处理器、图形处理器或FPGA等高功率芯片的温度监测需要更宽的测量范围。

　　这些高功率IC的工作温度高于通常的温度范围，故它们的监测需要温度范围更宽的传感器。最大的工作温度与时钟速度、工艺、器件封装和各种设计因素有关。信号的完整性常常会随着温度的升高而降低，最后直到电路不能保证其性能指标为止。在很多CPU和图形处理器中，出现这一问题的温度大约为100℃，但在一些高性能电路中，正常的工作温度范围会扩展到145℃。由于芯片的最大绝对温度接近工作范围的上限，则进行温度监测、在必要时关闭系统以避免失效变得更为关键(图1)。

　　在某些高性能处理器上，测温二极管的物理特性会使测量到的温度值发生偏差，换句话说，测量出的温度将大大高于实际温度。在这种情况下，温度传感器需要测量出的表观温度远远高于正常的工作温度范围。

远程温度敏感原理

　　通过一个“远程二极管”测量温度最常见的方法是：让两路不同的电流流过二极管，一般其比例约为10:1。(该二极管并非是1N4001之类的双端器件，它实际上是一个连接成二极管形式的双极型晶体管，双引出端的二极管的理想因数并不适用于远程二极管温度传感器)。该二极管对应于每个电流级的电压值被测量出来，而温度则根据如下方程求出：

　　该式中，IH是较高的二极管偏置电流，IL是较低的二极管偏置电流，VH是IH产生的二极管电压，VL是IL产生的二极管电压，n是二极管的理想因数，k是Boltzmann常数1.38x10-23J/o(K)，T是以oK为单位表示的温度，q是一个电子的电荷量(1.60x10-19C)。如果IH/IL=10，上式可以简化为VH- V L = 1.986