MIXDES 2010, 17th International Conference 'Mixed Design of Integrated Circuits and Systems', June 24-26, 2010, Wrocław, Poland

MIXED DESIGN

Multichannel System for Real Time Registration of Electronic Circuit Temperature Response

Marcin Janicki, Zbigniew Kulesza, Piotr Pietrzak, Andrzej Napieralski

Department of Microelectronics and Computer Science Technical University of Łoacute;dz

Woacute;lczanska 221/223, Łoacute;dz, Poland E-mail: janicki@dmcs.pl

Abstract—This paper presents the design and the practical realization of a measurement system dedicated to fast real-time multichannel registration of electronic system thermal response. The response is registered in parallel channels with a frequency up to 1 MHz. Such a high frequency is required for the thermal identification of electronic systems. The designed circuit is used here for the investigation of a thermal test ASIC. The presented solution can be extended for a different number of measurement channels and adapted for other types of sensors.

Index Terms—thermal characterisation of electronic systems, real time parallel measurement data processing.

1. INTRODUCTION

Temperature is the key factor influencing the performance of modern electronic systems. Thus, thermal characterization and analysis of such systems is now one of the most important problems. However, for this purpose high accuracy and high resolution temperature measurement data are required. Then, these data can be processed further in real time to produce the hot spot temperature estimates or used off-line for the thermal characterization of electronic systems.

This paper presents such a practical solution which renders possible various thermal analyses of electronic systems. The next section of this paper presents briefly the analyzed thermal test ASIC. Then, all the design requirements and the practical realization of the measurement system are described in detail. Finally, test results of the manufactured system are presented. In particular, the problem of noise reduction is discussed.

1. THERMAL TEST ASIC

The full description of the thermal test ASIC, which was inspired by the earlier practical realization [1], was already presented in [2]-[3] hence in this paper only a brief overview of the main circuit features will be given. The internal structure of the ASIC is shown in Fig. 1. The circuit was manufactured in a 0.35 m high voltage technology where logic circuits are powered with 3.3 V and high power circuits are supplied with 50 V. The analog part consists of 2 matrices; the matrix of nine heat sources, visible in the figure as large boxes, and the matrix of 25 p-n junction temperature sensors. The logic part controls the heat sources and processes sensor measurements.

S

Figure 1. Block schematics of the thermal test ASIC.

S

Reference Current

D

D

1

2

3

4

5

6

Analog Output

7

8

9

Digital Data

Heater Control

Output Data

Digital Control Circuits

Digital Processing

ADC

The full flexibility of shaping the power dissipation pattern in the circuit is assured through the system of internal current mirrors and an external reference current source. The amount of the generated heat is controlled by digitally programmable current sources. Owing to this solution it is possible to switch individually each heat source on at one of 7 predefined power levels and at any desired time instant. The external reference current and the digital information, which controls the power dissipated by heat sources, should be provided by the dedicated circuit described in the following sections.

The temperature of the ASIC can be measured in real time with the sensors implemented in the ASIC circuit. The sensors consist of 3 serially connected base-emitter junctions of bipolar transistors. The differential analog signal from the 2 upper (not connected to the ground) junctions of each sensor is available directly at the appropriate ASIC pins, where they can be read and processed further by the external measurement system. The differential form of the output was chosen intentionally in order to match the ADCs and avoid problems with level setting.

The ASIC itself also contains 25 internal ADCs connected to the temperature sensors, but taking into account the limited chip size the internal structure of the converters had to be kept very simple. Consequently, they consist of digital counters and analog comparators which have to be supplied by an external reference saw waveform. The digital converter output values can be stored in the built-in RAM memory or processed by an internal digital filter to produce real time estimates of hot spots located in the ASIC.

The internal logic circuits of the ASIC communicate with the measurement board through a serial interface. The interface allows to control the power dissipation in the heat sources and to configure the ASIC operation. Moreover, it communicates with the internal RAM of the ASIC writing the digital filter coefficient values or reading the hot spot temperature estimates and internally converted sensor voltages.

1. DESIGN REQUIREMENTS

The fundamental requirement for the measurement system was the ability to process in parallel at least 25 differential sensor inputs sampled at 1 MHz. Moreover, the system should allow fully automatic programming of the test ASIC and the control of the temperature measurement processes, lasting even several hours. The system should also g

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

多通道电子电路温度响应实时配准系统

摘要：本文介绍了一种用于电子系统热响应快速实时多通道配准的测量系统的设计和实现。该响应在频率高达1MHz的并行信道中注册。电子系统的热识别需要如此高的频率。所设计的电路用于热测试专用集成电路的研究。所提出的解决方案可以扩展到不同数量的测量通道，并适用于其他类型的传感器。

关键字：电子系统的热特性，实时并行测量数据处理。

一、介绍

温度是影响现代电子系统性能的关键因素。因此，这类系统的热特性和分析是目前最重要的问题之一。然而，为此目的，需要高精度和高分辨率的温度测量数据。然后，可以对这些数据进行进一步的实时处理，以产生热点温度估计或离线用于电子系统的热特性。

本文提出了一种实用的解决方案，使电子系统的各种热分析成为可能。本文的下一部分简要介绍了ASIC的热测试分析。然后，详细介绍了测量系统的设计要求和实现方法。最后，给出了系统的测试结果。特别是讨论了降噪问题。

二、热试验专用集成电路

在[2]-[3]中已经完整地描述了受早期实际实现[1]启发的热测试专用集成电路，因此本文仅对主要电路特征进行简要概述。ASIC的内部结构如图1所示。该电路采用0.35_m的高压技术制造，其中逻辑电路以3.3V供电，大功率电路以50V供电。模拟部分由两个矩阵组成：九个热源的矩阵，在图中可见为大盒，以及25个p-n结温度传感器的矩阵。逻辑部分控制热源并处理传感器测量。

S

Reference Current

D

D

1

2

3

4

5

6

Analog Output

7

8

9

Digital Data

Heater Control

Output Data

Digital Control Circuits

Digital Processing

ADC

图1.热测试ASIC的框图

通过内部电流镜系统和外部参考电流源，保证了电路中形成功耗模式的完全灵活性。产生的热量由数字可编程电流源控制。由于这种解决方案，有可能在7个预定功率水平之一和任何期望的时间瞬间分别打开每个热源。控制由热源耗散的功率的外部参考电流和数字信息应当由以下部分中描述的专用电路提供。

利用ASIC电路中的传感器可以实时测量ASIC的温度。传感器由3个串联的双极晶体管基极-发射极结组成。来自每个传感器的两个上部(未与地面连接)结的差分模拟信号可直接在适当的ASIC管脚处获得，在那里，外部测量系统可以进一步读取和处理它们。为了匹配ADC并避免电平设置问题，故意选择输出的差分式。

ASIC本身也包含25个与温度传感器相连的内部ADC，但是考虑到有限的芯片尺寸，转换器的内部结构必须保持非常简单。因此，它们由数字计数器和模拟比较器组成，它们必须由外部参考锯波形提供。数字转换器的输出值可以存储在内置的RAM存储器中，或者由内部数字滤波器处理，以产生对位于ASIC中的热点的实时估计。

ASIC的内部逻辑电路通过串行接口与测量板通信。该接口允许控制热源中的功并配置ASIC操作。此外，它与ASIC的内部RAM通信，写入数字滤波器系数值读取热点温度估计和内部转换的传感器电压。

三、设计要求

测量系统的基本要求是能够并行处理在1MHz采样的至少25个差分传感器输入。此外，该系统应允许测试ASIC的全自动编程和温度测量过程的控制，甚至持续几个小时。该系统还应提供可能性，不仅存储测量数据，而且处理和过滤。该系统的另一个期望特征是与用户通信，允许对实时或记录的数据进行目视检查。最后，系统应该为ASIC提供所有需要的电源和参考电流。不幸的是，目前市场上甚至没有一个单一的测量系统能够单独满足第一项要求。显然，人们可以购买采样速率超过1MHz的系统，但是这个速率仅涉及单个信道，并且当处理多个信道时，采样频率必须降低，因为信道共享ADC。

图2.具有采样周期的传感器读出定时的示例每4次测量和4次预装配测量加倍

该项目假设每个通道最多可以存储512个采样到系统存储器中，并且传感器测量以1Msps采样，数字分辨率为14位。为了预滤波的目的，来自每个测量通道的最多4个连续样本可以被缓冲和平均。所有热源可以在任何时间瞬间开启和关闭，并在任何7个预设功率水平。由于使用了32/48位定时器，精确地触发热源是可能的。触发时间间隔可以在1_到2小时之间变化，并且它们在测量期间可以是恒定的，或者随着时间基础的2或10而增加。因此，温度响应的记录时间可以从512_s延长到将近1年！在开启源之前，可以预先触发多达16个测量。形成测量间隔的灵活性如图所示。2-3，在4次预触发测量之后，每4次测量或每次测量之后，采样间隔加倍。因此，在第一种情况下，前9个样本以9_s记录或者在第二种情况下以35_s记录下来。

整个系统设计的另一个挑战是保证几个不同水平的电源电压。首先，整个测量系统可以由一个8_20V的直流电源供电，耗电量小于3W。由于使用了一系列DC-DC功率转换器，该系统为数字电路提供3种不同的电压，最高可达3.3V，模拟电路提供3.3V和5.0V，热源提供10_50V。此外，该系统还为由16位数字电流源产生的ASICADC提供精确的锯波参考电压。

四、切实实现

系统设计的关键决策是主要数据处理和控制单元的选择。最后，由于FPGA测试简单，加上提供的I/O端口数量相对较多，以及配置内部FPGA资源的自由，所以选择了FPGA解决方案。

图3.传感器读出定时的示例，其中采样周期在每次测量和4次预装配测量时加倍

图4.测量系统的框图

实际实现的核心是Xilinxreg;Spartan系列最小的FPGA电路之一，所有的控制电路和系统内存都位于该核心——XC3S400。首先用VHD语言描述了系统的功能，然后在FPGA上实现。该系统的通信模块最初在Xilinxreg;StateCAD环境中描述为状态机，然后在硬件上编译。FPGA可用资源的总利用率为:可编程块2368/3584(66%)、触发器2727/7168(38%)、LUTs 3360/7168(46%)、288 kb内存块16/16(100%)和引脚94/97(96%)。

最后实现的系统框图和照片如图4-5所示。所有最重要的功能块的位置也在照片中显示。该系统通过标准的EIA-RS232串行接口与用户通信，速率为115kbps。使用开源Tera术语终端作为用户界面。该软件允许对ASIC和FPGA操作进行全自动控制，并报告传输错误。可以将接口配置为按所需的时间间隔直接从ASIC或RAM内存读取测量值。FPGA的所有状态寄存器也可以从终端访问。此外，一组发光二极管可向用户提供有关ASIC或FPGA当前运行情况的额外信息，例如，它们指示热源是否打开或ASIC是否过热。

系统最终实现的测量通道数为29条;其中25个处理来自ASIC结传感器的数据，1个连接到位于ASIC中的附加PTAT传感器，2个读取放置在测量板上的温度传感器的数据，1个读取高精度参考差分电压。这里需要强调的是，与大多数实际实现不同，测量的样本不仅被缓冲在普通FIFO寄存器中，而且被存储在内存中，这使得处理和过滤成为可能。高精度放大器对所有输入的差分信号进行初始处理，抑制这些信号的公共部分并对其进行缓冲。其次，每个信号在14位adc中转换成数字域，串行输出，这是由于测量通道数量大而需要的。

图5.显示系统主要功能块的照片

恒流通过可编程电流源从测量系统传送到ASIC中的温度传感器。该源将FPGA中产生的数字电压信号转换成由DAC、运算放大器和双极晶体管组成的简单转换器中的模拟电流信号。ASIC中包含的ADC的精确声表面波波形由可编程电流源产生，可编程电流源由连接到FPGA的数模转换器控制。其输出电流集成在电容器中，由FPGA控制的附加晶体管键周期性地放电。在积分器的电容器处观察到的电压形成所需的锯齿波形。这个由附加运算放大器缓冲的信号被传送到ASIC。测量系统还包括FPGA和ASIC正常工作所必需的所有电源电路。

五、试验和测量

测试结果证明了整个系统的全部功能。首先，有可能达到项目中假定的，在同时采样的所有平行通道中极高的1Msps的温度测量速度。在该采样频率下，有效的14位ADC分辨率是圆形的12位。这导致温度测量精度略低于1K。进一步的改进会导致采样频率的降低。即，对于100倍降低的采样率，测量分辨率为 0.14K，测量系统内部数据传输速率为60MB/s，所有参考电流和电压都具有较高的稳定性。

唯一的缺点是测量通道之间的噪声和干扰水平相对较高。特别地，模拟传感器输出受到来自时钟信号的数字噪声的影响。通过在测量期间对时钟信号进行选通消除了这个问题。此外，系统与ASIC之间的连接电缆的屏蔽性能得到改善，所有测量通道都解耦。所有这些努力使得数字干扰水平显著降低。所选测量通道的改进效果如图所示。6-7，其中可以观察到重要的噪声降低。

图6.所选信道的原始测量结果

图7.通过降低噪声水平改进了结果

在[4]中描述的许多实验中，当测量ASIC的温度时，对于不同的热源配置和不同的冷却条件，测量系统的有效性已经被证实。图8显示了在32倍降低的初始采样率和每32次测量加倍采样间隔时得到的结果的一个例子。图9给出了相同情况的结果，但最小初始采样间隔为1s，每20次测量加倍。两种情况下的热源耗散功率均为1W左右，采集512个样品的总时间分别为20分钟和20分钟。可以看出，结果非常相似，这证明了结果的可重复性和所设计的系统的稳定性。

图8.在降低采样率的测量结果

图9.在最大采样率下的测量结果

致谢

这项研究得到了科学和高等教育部第N515 008 31/0331号拨款的支持。

参考文献

[1]Z. Benedek, B. Courtois, G. Farkas, E. Kollaacute;r, Mir, A. Poppe, M. Rencz,

V. Szeacute;kely, and K. Torki, “A scalable multi-functional thermal test chip family: Design and evaluation”, ASME J. Electron. Packag., vol. 123, pp 323-330, December 2001.

[2]M. Szermer, Z. Kulesza, M. Janicki, and A. Napieralski, “Test ASIC for real time estimation of chip temperature,” in Proceedings of 2008 NSTI Nanotechnology Conference and Trade Show Nanotech, June 2008, Boston, USA, vol. 3, pp. 529-532.

[3]M. Szermer, Z. Kulesza, M. Janicki, and A. Napieralski, “Design of the test ASIC for on-line temperature monitoring and thermal structure analysis,” in Proceedings of 15th International Conference Mixed Design of Integrated Circuits and Systems MIXDES 2008, June 2008, Poznan, Poland, pp. 317-320.

[4]M. Janicki, M. Szermer, S. Klab, Z. Kulesza, A. Napieralski, “Practical study of temperature distribution in a thermal test integrated circuit,” in Proceedings of 15th International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems THERMINIC, October 2009, Leuven, Belgium, pp. 136-139.

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

---

资料编号：[19135]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word