采用混合信号FPGA实现智能化热管理(07-100)

　　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。

　　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。