CN111189561A - 超高温远端温度测量校准方法、测量校准电路及介质 - Google Patents

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CN111189561A CN201911149359.4A CN201911149359A CN111189561A CN 111189561 A CN111189561 A CN 111189561A CN 201911149359 A CN201911149359 A CN 201911149359A CN 111189561 A CN111189561 A CN 111189561A
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Abstract

本发明提供了一种超高温远端温度测量校准方法、测量校准电路及介质。利用集电极和基极短接的分立晶体管(130)，包括测量步骤、输出转换步骤以及高温校准步骤；本发明使用分立晶体管检测远端温度，当温度高于150℃时，根据检测结果，使用测温芯片内部非线性高温校准电路进行温度补偿，在‑50℃‑190℃区间内,最终温度误差(‑0.5℃,+2℃)，能够满足绝大多数测温应用。本发明相较于传统的远端测温方案，最大的优点是扩大了温度测量范围，不需要使用昂贵的铂电阻和复杂的热电偶，只利用单片CMOS芯片和分立晶体管即可测量高达190℃温度，降低了系统成本，扩大了应用范围。

Description

超高温远端温度测量校准方法、测量校准电路及介质
技术领域
本发明涉及电子设备温度监控技术领域，具体地，涉及一种超高温远端温度测量校准方法、测量校准电路及介质，尤其涉及一种超高温远端温度测量方案,可利用芯片内部集成的校准模块，测量高于150℃的远端温度；其中，超高温是指温度高于150℃。
背景技术
常见的远端温度测量方案中，测量远端温度使用分立的双极型晶体管如2N3904NPN、2N3906 PNP，也可以使用集成在处理器，如CPU、GPU中的寄生双极型晶体管。测试发现，使用分立晶体管作为远端感温元件，当温度高于150℃时，由于半导体物理特性的变异，温度测量误差急剧增大使得测量失效。
在电子技术领域，有许多场合需要监测温度，以达到温度监控、过温报警及自适应调节等目的。例如监控中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)及FPGA等芯片温度，当某颗芯片温度超界时，通过启动风扇、降低工作频率等手段，降低温度，防止温度过高带来的系统损坏及风险。
通常，测温芯片使用的温度范围为(-40℃至125℃),当需要测量更高的温度时，需使用铂电阻、热电偶等测温方案。铂电阻工作范围为(-200℃至850℃)，然而铂电阻元件昂贵，且其输出为模拟电压，需要通过额外ADC转换才能得到温度值,不便于使用。热电偶工作范围为(-250℃至1800℃)，但其需要冷端补偿，系统复杂度增加。
基于上述分析，本发明设计了一种超高温远端温度测量电路，芯片内部集成高温校准模块，用户通过单片CMOS，即可测量(-50℃至190℃)温度，将含温度信息的模拟电压信号通过芯片内部模数转换器(ADC)转换，换算成十进制温度值存储，然后可通过SMBus等通用数字通讯接口读取温度值。
专利文件CN105784157公开的一种低功耗、高线性度CMOS温度传感器，将与温度相关的电流加在单个基极-集电极短接的PNP晶体管，得到与温度相关的电压输出。但只能用于本地温度测量，且模拟输出的方式不便于温度值读取/使用。
LM95172是美国德州仪器(TI)公司2013年推出的一款测温芯片，温度测量范围(-40℃至200℃),但只能用于测量芯片自身温度。
TMP451是美国德州仪器(TI)公司2014年推出的一款测温芯片，能用于测量芯片自身和远端温度,温度测量范围为(-55℃至150℃)。
可见，现有技术均无法很好的完成超高温的远端温度测量，因此，提供一种超高温远端温度测量校准方法、测量校准电路及介质具有较高的实用价值和意义。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种超高温远端温度测量校准方法、测量校准电路及介质。
根据本发明提供的一种超高温远端温度测量校准方法，利用集电极和基极短接的分立晶体管，包括测量步骤和输出转换步骤；
测量步骤：将所述分立晶体管设置在被测芯片上，使用两个不同电流值激励分立晶体管，分别记录在第一电流激励、第二电流激励下的第一晶体管偏置电流I1、第二晶体管偏置电流I2，并将第二晶体管偏置电流I2与第一晶体管偏置电流I1的比值记为M，则分立晶体管在第一电流激励、第二电流激励下的第一基极-发射极电压VBE1、第二基极- 发射极电压VBE2与偏置电流存在确定的对数关系，即满足如下第一公式：
Figure RE-GDA0002425849470000021
其中，ΔVBE为VBE2与VBE1的差值；N为二极管非理想因子；k为波耳兹曼常数，值为1.38×10-23；q为电子电荷，值为1.6×10-19；T为待测量的开尔文温度；IS为分立晶体管的晶体管饱和电流；
输出转换步骤：将VBE和ΔVBE转化为十进制温度值输出，具体转换满足如下第二公式：
Figure RE-GDA0002425849470000022
其中，VBE是指分立晶体管与温度相关的模拟电压；A为斜率因子；B为失调因子；DTEMP为测温芯片转换得到的被测芯片十进制温度值；α为第一公式△VBE放大系数。
优选地，所述超高温远端温度测量校准方法还包括高温校准步骤；
高温校准步骤：采用分段式的非线性校准方法，依次按温度高低设置N个温度节点T1、T2…TN,并分别在各个温度区间内采用不同的校准方案、依据不同的修正公式进行误差修正；
其中，N为大于1的正整数。
优选地，N＝4。
优选地，所述高温校准步骤包括如下子步骤：
当芯片测量温度高于T1时小于T2时，采用如下第三公式进行修正校准：
TTRIM＝1.25*TRAW-40
其中，TTRIM为测温芯片获得的原始温度值；TRAW为经过非线性校准后获得的温度值。
优选地，所述高温校准步骤包括如下子步骤：
当芯片测量温度高于T2时小于T3时，采用如下第四公式进行修正校准：
TTRIM＝2.5*TRAW-250
其中，TTRIM为测温芯片获得的原始温度值；TRAW为经过非线性校准后获得的温度值。
优选地，所述高温校准步骤包括如下子步骤：
当芯片测量温度高于T3时，采用如下第四公式进行修正校准：
TTRIM＝5*TRAW-680
其中，TTRIM为测温芯片获得的原始温度值；TRAW为经过非线性校准后获得的温度值。
优选地，T1＝160℃，T2＝168℃，T3＝172℃。
根据本发明提供的一种超高温远端温度测量校准电路，支持上述的超高温远端温度测量校准方法，包括分立晶体管、测温芯片以及被测芯片；
所述分立晶体管热接触地设置在被测芯片上；所述分立晶体管与测温芯片电连接；
所述测温芯片包括高温校准模块；所述高温校准模块能够采用分段式的非线性校准方法，依次按温度高低设置N个温度节点T1、T2…TN,并分别在各个温度区间内采用不同的校准方案、依据不同的修正公式进行误差修正。
优选地，所述测温芯片还包括二阶ADC模块；
所述二阶ADC模块、高温校准模块沿信号传递方向依次设置；
所述二阶ADC模块包括调制器、数字滤波以及数字抽取；所述调制器、数字滤波以及数字抽取沿信号传递方向依次设置。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的超高温远端温度测量校准方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明使用分立晶体管检测远端温度，当温度高于150℃时，根据检测结果，使用测温芯片内部非线性高温校准电路进行温度补偿，在-50℃-190℃区间内,最终温度误差(-0.5℃,+2℃)，能够满足绝大多数测温应用。
本发明相较于传统的远端测温方案，最大的优点是扩大了温度测量范围，不需要使用昂贵的铂电阻和复杂的热电偶，只利用单片CMOS芯片和分立晶体管即可测量高达190℃温度，降低了系统成本，扩大了应用范围。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为使用分立晶体管的温度测量电路。
图2为未使用高温校准模块前远端温度测量结果。
图3为使用高温校准模块后远端温度测量结果。
图4为未使用高温校准模块前测量远端温度测量原始误差。
图5为使用高温校准模块后远端温度测量误差。
图中示出：
分立晶体管 130
测温芯片 140
被测芯片 150
二阶ADC模块 180
调制器 181
数字滤波 182
数字抽取 183
高温校准模块 280
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
根据本发明提供的一种超高温远端温度测量校准方法，利用集电极和基极短接的分立晶体管130，包括测量步骤和输出转换步骤；
测量步骤：将所述分立晶体管130设置在被测芯片150上，使用两个不同电流值激励分立晶体管130，分别记录在第一电流激励、第二电流激励下的第一晶体管偏置电流 I1、第二晶体管偏置电流I2，并将第二晶体管偏置电流I2与第一晶体管偏置电流I1的比值记为M，则分立晶体管130在第一电流激励、第二电流激励下的第一基极-发射极电压 VBE1、第二基极-发射极电压VBE2与偏置电流存在确定的对数关系，即满足如下第一公式：
Figure RE-GDA0002425849470000051
其中，ΔVBE为VBE2与VBE1的差值；N为二极管非理想因子；k为波耳兹曼常数，值为1.38×10-23；q为电子电荷，值为1.6×10-19；T为待测量的开尔文温度；IS为分立晶体管130的晶体管饱和电流；
分立晶体管作为温度感应元件，当被测芯片150温度发生变化时，分立晶体管的基极-发射极电极会发生变化，通过测温芯片140检测130基极-发射极电压，即可监测被测芯片150温度。
目前的测温方法还有铂电阻和热电偶的两种方式，铂电阻缺点是价格较高，热电偶的缺点是调理电路比较复杂，不易于使用。
输出转换步骤：将VBE和ΔVBE转化为十进制温度值输出，具体转换满足如下第二公式：
Figure RE-GDA0002425849470000052
其中，VBE是指分立晶体管130与温度相关的模拟电压；A为斜率因子；B为失调因子；DTEMP为测温芯片转换得到的被测芯片十进制温度值；α为第一公式△VBE放大系数。
α为第一公式△VBE放大系数，在本发明时，取值为8。
A为斜率因子，取值在600-700之间，B为失调因子，取值为绝对零度，即-273.15。
优选地，所述超高温远端温度测量校准方法还包括高温校准步骤；
高温校准步骤：采用分段式的非线性校准方法，依次按温度高低设置N个温度节点T1、T2…TN,并分别在各个温度区间内采用不同的校准方案、依据不同的修正公式进行误差修正；
其中，N为大于1的正整数。
优选地，N＝4。
优选地，所述高温校准步骤包括如下子步骤：
当芯片测量温度高于T1时小于T2时，采用如下第三公式进行修正校准：
TTRIM＝1.25*TRAW-40
其中，TTRIM为测温芯片获得的原始温度值；TRAW为经过非线性校准后获得的温度值。
优选地，所述高温校准步骤包括如下子步骤：
当芯片测量温度高于T2时小于T3时，采用如下第四公式进行修正校准：
TTRIM＝2.5*TRAW-250
其中，TTRIM为测温芯片获得的原始温度值；TRAW为经过非线性校准后获得的温度值。
优选地，所述高温校准步骤包括如下子步骤：
当芯片测量温度高于T3时，采用如下第四公式进行修正校准：
TTRIM＝5*TRAW-680
其中，TTRIM为测温芯片获得的原始温度值；TRAW为经过非线性校准后获得的温度值。
优选地，T1＝160℃，T2＝168℃，T3＝172℃。
当温度小于160度时，不需要进行高温校准，测温芯片即可获得准确温度值；
温度恰好等于T1…TN时，相邻两个公式校准值一；
T1…TN为测温芯片获得的初始温度值TRAW；
根据本发明提供的一种超高温远端温度测量校准电路，支持上述的超高温远端温度测量校准方法，包括分立晶体管130、测温芯片140以及被测芯片150；
所述分立晶体管130热接触地设置在被测芯片150上；所述分立晶体管130与测温芯片140电连接；
所述测温芯片140包括高温校准模块280；所述高温校准模块280能够采用分段式的非线性校准方法，依次按温度高低设置N个温度节点T1、T2…TN,并分别在各个温度区间内采用不同的校准方案、依据不同的修正公式进行误差修正。
优选地，所述测温芯片140还包括二阶ADC模块180；
所述二阶ADC模块180、高温校准模块280沿信号传递方向依次设置；
所述二阶ADC模块180包括调制器181、数字滤波182以及数字抽取183；所述调制器181、数字滤波182以及数字抽取183沿信号传递方向依次设置。
根据本发明提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的超高温远端温度测量校准方法的步骤。
术语解释：
(1)Remote Temperature Sensor：远端温度传感器
(2)IC(Integrated Circuit)：集成电路
(3)CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)：互补金属氧化物半导体
(4)ADC(Analog to Digital Converter)：模数转换器
在某些测温应用中，需要监控远端温度值且温度高于150℃。目前大多数专利仅描述了测量CMOS测温芯片本地温度及相应问题的研究。
通常，远端感温晶体管有分立晶体管(如2N3904 NPN和2N3906 PNP)和芯片寄生晶体管两种类型，使用分立晶体管，温度上限通常被限制在150℃。在本发明中，测温芯片内部集成高温校准电路，从而可通过单片CMOS芯片，测量(-50℃至190℃)温度。
使用分立晶体管130测远端温度如图一
该测量电路包括测温芯片140，被测芯片150,分立晶体管130。为了精确监测被测芯片150的芯片温度，分立晶体管130必须尽可能靠近被测芯片150放置。
测温芯片原理说明
分立晶体管130的型号为2N3904或2N3906,将其集电极和基极短接，可以等效为二极管，其基极-发射极电压VBE与偏置电流存在确定的对数关系。当使用两个不同电流值激励分立晶体管时，存在式一
Figure RE-GDA0002425849470000071
式中N为二极管非理想因子，k为波耳兹曼常数，值为1.38X10-23，q为库公电荷，值为1.6X10-19,T为开尔文温度，I2和I1为晶体管偏置电流，比值为M，IS为晶体管饱和电流。
140是CMOS测温芯片，包含二阶ADC模块180和高温校准模块280，可将分立晶体管与温度相关的模拟电压VBE和ΔVBE，转化为十进制温度值输出,如式二，其中A为斜率因子，B为失调因子。
Figure RE-GDA0002425849470000072
图1展示了二阶ADC模块180，该二阶ADC模块180采用开关电容结构，由调制器181、数字滤波182和数字抽取183组成。二阶ADC模块180产生的数据通过高温校准模块280补偿，产生最终的温度数据，用户可通过通用数字总线如I2C/SMBus读取十进制温度值。
未使用高温校准模块前测量远端温度结果如图2：
未使用高温校准模块前测量结果如图2，温度高于160℃时，由于分立晶体管半导体特理特性的变化，具有较大测量误差；
使用高温校准模块后测量远端温度结果如图3：
由图3，可以看出，经过高温校准模块后，在160℃-190℃区间内，远端温度测量线性度得到极大提升。
高温校准模块280说明：
统计大量测量数据，发现温度高于160℃时，使用分立晶体管测量得到的远端温度误差急剧增大，必须引入非线性校准。在本发明中，引入分段式校准，当芯片测量温度高于T1时小于T2时，本发明中T1＝160℃，T2＝167.8℃，引入修正公式三
TTRIM＝1.25*TRAW-40 (式三)
当芯片测量温度高于T2时小于T3时，本发明中T2＝167.8℃，T3＝172.1℃，引入修正公式四
TTRIM＝2.5*TRAW-250 (式四)
当芯片测量温度高于T3时小于T4时，本发明中T3＝172.1℃，T4＝174.4℃，引入修正公式五
TTRIM＝5*TRAW-680 (式五)
误差结果说明：
如图4，温度高于160℃时，由于分立晶体管半导体特理特性的变化，未经过高温校准前，(160℃至190℃)误差为(+1℃至-16℃)；
如图5，经过高温校准后，(160℃至190℃)误差为(-0.5℃至2℃)，能满足绝大多数测温应用。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种超高温远端温度测量校准方法，其特征在于，利用集电极和基极短接的分立晶体管(130)，包括测量步骤和输出转换步骤；
测量步骤：将所述分立晶体管(130)设置在被测芯片(150)上，使用两个不同电流值激励分立晶体管(130)，分别记录在第一电流激励、第二电流激励下的第一晶体管偏置电流I1、第二晶体管偏置电流I2，并将第二晶体管偏置电流I2与第一晶体管偏置电流I1的比值记为M，则分立晶体管(130)在第一电流激励、第二电流激励下的第一基极-发射极电压VBE1、第二基极-发射极电压VBE2与偏置电流存在确定的对数关系，即满足如下第一公式：
Figure RE-FDA0002425849460000011
其中，ΔVBE为VBE2与VBE1的差值；N为二极管非理想因子；k为波耳兹曼常数，值为1.38×10-23；q为电子电荷，值为1.6×10-19；T为待测量的开尔文温度；IS为分立晶体管(130)的晶体管饱和电流；
输出转换步骤：将VBE和ΔVBE转化为十进制温度值输出，具体转换满足如下第二公式：
Figure RE-FDA0002425849460000012
其中，VBE是指分立晶体管(130)与温度相关的模拟电压；A为斜率因子；B为失调因子；DTEMP为测温芯片转换得到的被测芯片十进制温度值；α为第一公式△VBE放大系数。
2.根据权利要求1所述的超高温远端温度测量校准方法，其特征在于，所述超高温远端温度测量校准方法还包括高温校准步骤；
高温校准步骤：采用分段式的非线性校准方法，依次按温度高低设置N个温度节点T1、T2…TN,并分别在各个温度区间内采用不同的校准方案、依据不同的修正公式进行误差修正；
其中，N为大于1的正整数。
3.根据权利要求2所述的超高温远端温度测量校准方法，其特征在于，N＝4。
4.根据权利要求3所述的超高温远端温度测量校准方法，其特征在于，所述高温校准步骤包括如下子步骤：
当芯片测量温度高于T1时小于T2时，采用如下第三公式进行修正校准：
TTRIM＝1.25*TRAW-40
其中，TTRIM为测温芯片获得的原始温度值；TRAW为经过非线性校准后获得的温度值。
5.根据权利要求3所述的超高温远端温度测量校准方法，其特征在于，所述高温校准步骤包括如下子步骤：
当芯片测量温度高于T2时小于T3时，采用如下第四公式进行修正校准：
TTRIM＝2.5*TRAW-250
其中，TTRIM为测温芯片获得的原始温度值；TRAW为经过非线性校准后获得的温度值。
6.根据权利要求3所述的超高温远端温度测量校准方法，其特征在于，所述高温校准步骤包括如下子步骤：
当芯片测量温度高于T3时，采用如下第四公式进行修正校准：
TTRIM＝5*TRAW-680
其中，TTRIM为测温芯片获得的原始温度值；TRAW为经过非线性校准后获得的温度值。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的超高温远端温度测量校准方法，其特征在于，T1＝160℃，T2＝168℃，T3＝172℃。
8.一种超高温远端温度测量校准电路，其特征在于，支持权利要求1至7中任一项所述的超高温远端温度测量校准方法，包括分立晶体管(130)、测温芯片(140)以及被测芯片(150)；
所述分立晶体管(130)热接触地设置在被测芯片(150)上；所述分立晶体管(130)与测温芯片(140)电连接；
所述测温芯片(140)包括高温校准模块(280)；所述高温校准模块(280)能够采用分段式的非线性校准方法，依次按温度高低设置N个温度节点T1、T2…TN,并分别在各个温度区间内采用不同的校准方案、依据不同的修正公式进行误差修正。
9.根据权利要求8所述的超高温远端温度测量校准电路，其特征在于，所述测温芯片(140)还包括二阶ADC模块(180)；
所述二阶ADC模块(180)、高温校准模块(280)沿信号传递方向依次设置；
所述二阶ADC模块(180)包括调制器(181)、数字滤波(182)以及数字抽取(183)；所述调制器(181)、数字滤波(182)以及数字抽取(183)沿信号传递方向依次设置。
10.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述的超高温远端温度测量校准方法的步骤。
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