采用混合信号FPGA实现智能化热管理

采用混合信号FPGA实现智能化热管理引言传统上，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=1.38×10-23J/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FusionPSC(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。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*(1.38x10-23J/K)*ln(10)/(1.602x10-19C)DV=298*0.00019835=59mV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)*12.5DV=(298*0.00019835)*12.5=738mV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