采用混合信號FPGA實現智能化熱管理引言傳統上，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溫度。而且，隨著系統速度越來越快，系統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。這反過來產生了對高效、緊湊及低價的溫度測量方法的迫切需求，其應用范圍遍及高速計算機、電信網絡交換設備以及工業溫度控制，諸如便攜式電子產品、生物醫學器件、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用中都非常關鍵，當今的智能系統都采用了冷卻系統，并根據系統內部情況平衡其運作。這類系統還有其它優點，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，當出現溫度異常時，就能提示系統的運行情況，指出部件當前運行不正確。而智能系統此時就可作出響應，采取修正措施，并/或向系統管理部分給出超界報警。除了完成其它系統管理任務外，當今的混合信號FPGA也是一種智能熱管理系統，可讓設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據。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=1.38×10-23J/K(波爾茲曼常數)，IH=高電流強度，IL=低電流強度。本文采用Actel的混合信號FusionPSC(可編程系統芯片)在真實世界的應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)，并通過內置的模數轉換器(ADC)測量電壓差。假定二極管處于室溫，檢定電壓差值DV。從方程(1)中解出將要送到ADC的轉換電壓，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*(1.38x10-23J/K)*ln(10)/(1.602x10-19C)DV=298*0.00019835=59mV在室溫下，電壓值相對較小。混合信號FPGA中的溫度監視電路內置一個12.5倍放大器，可將預測信號放大，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)*12.5DV=(298*0.00019835)*12.5=738mV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果。好在溫度是個變化相對慢的參數，因此測量多次(常常可達1,000次)也不必擔心實際信號變化。通過過濾系統級噪聲，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)，用戶可用它來設置平均或過濾因數。在確定的溫度范圍內運行既然可以測量出系統內某一位置的溫度，那么設計人員該如何使用這個信息呢？大多數系統都應在某些溫度范圍內工作。因此，只有知道系統的這些工作溫度范圍，才能讓系統作出相應的響應?；旌闲盘朏PGA能輕松監視平均溫度，并將其與用戶定義的溫度閾值比較，從而設置相應的標志。而且，由于這種FPGA是可編程邏輯器件，因此可設置不同的閾值。為說明這一點，我們舉個例子。假設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所需要的冷卻量。當平均溫度處于“正?！狈秶?，無需對系統進行改變；這時系統工作在理想的條件下，并設置“正常”標志。然而，某些內部或外部因素可能對系統造成影響，致使工作溫度從“正?！狈秶七M“偏熱”范圍，此時，“正常”標志將被清除，并設置“偏熱”標志。雖然這個范圍按定義還是有效工作的溫度范圍，但系統正在接近有可能造成系統損壞的溫度。而且，如果此時冷卻系統過載或不正常，溫度將繼續升高，最后導致系統內的線路卡損壞。智能熱管理系統就是用于防止這類事情發生。系統現在開始采取修正措施。線路卡通知系統主控(即混合信號FPGA)，告之系統溫度已升高。系統主控隨即提高冷卻系統的輸出，以抑制溫度的攀升；即冷卻系統應提高輸出，使系統返回到“正常”溫度范圍，并設置相應的標志。此外，擔任主控的混合信號FPGA還可將該熱事件及其發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，因為此時系統已處于極端的危險狀態。于是線路卡開始關閉程序，以防止損壞。線路卡此時可向主控發送信號，告訴主控已關閉程序。線路卡發生過熱的情況以及發生時間將保存到嵌入式閃存中，供事后調試和故障分析使用。而且，混合信號FPGA會關斷線路卡的電源，防止損壞。結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用系統，熱管理在當今許多設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，從而實現更精確的測量。由于采用了