On-Chip-Temperaturmessung Hochpräzise Temperaturmessung bei CPUs, ASICs und FPGAs

Autor / Redakteur: Uwe Kopp* / Gerd Kucera

Mit der Thermal-Management-Technologie namens TruTherm werden Temperaturen in Chips mit Submicron-Technologie punktgenau über integrierte Dioden erfasst. Im Vergleich zu früheren Messmethoden wird der Messfehler im System damit auf ein Zwölftel reduziert.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Traditionell sind auf Prozessoren in Computersystemen schon seit vielen Jahren Dioden zur Temperaturerfassung integriert, um die Zuverlässigkeit sicherzustellen. Bei zu starker Erhöhung der Chiptemperatur schaltet sich zunächst ein Lüfter zu. Sollte die Temperatur trotzdem noch weiter ansteigen wird im nächsten Schritt der Prozessortakt heruntergefahren. Letztes Mittel gegen den Hitzetod des Prozessors ist das komplette Abschalten der Versorgungsspannung.

Heute kommen in Computersystemen sowie in der Konsum- und der Automobilelektronik sehr viele Prozessoren, FPGAs und ASICs in Submicron-Technologie zum Einsatz, Tendenz steigend, die im Betrieb hohe Temperaturen erreichen. Die „Kern“-Temperatur dieser hochkomplexen Bauteile ist möglichst exakt und in einem engen Toleranzbereich zu erfassen. Nur so lässt sich garantieren, dass sich Lüfter nicht zu früh zuschalten (verbunden mit unnötig erhöhter Stromaufnahme und unnötigen Lüftergeräuschen) oder gar zu spät oder dass der Prozessortakt grundlos zu früh abgesenkt und dadurch die maximal erreichbare Systemleistung nicht erreicht wird. Allerdings ist bei Halbleiterstrukturbreiten von 90 nm und darunter die genaue On-Chip-Temperaturerfassung und nachfolgende Auswertung per Temperatursensor-IC nicht mehr so einfach wie bei den Vorgängergenerationen.

Das Verfahren der On-Chip-Temperaturerfassung mittels integrierter Diode hat sich für Schaltungen mit über 90 nm bewährt. Auch das LM95231-Vorgängermodell mit der Bezeichnung LM83 arbeitet nach dieser Methode. Das einfache Verfahren zwei verschieden große Ströme zeitversetzt hintereinander auf die Diode einzuprägen und die Spannung zu messen, stößt aber bei Bausteinen mit Strukturbreiten von 90 nm und kleiner an ihre Grenzen. Weil schmälere IC-Strukturen mit größeren relativen Fertigungstoleranzen einhergehen, unterscheiden sich die Messwerte von CPU zu CPU erheblich – auch wenn sie vom selben Wafer stammen.

Bei der Charakterisierung von neuen P4-Prozessoren mit dem LM83 hat sich gezeigt, dass die Messwerte über die Diode trotz identischer Spezifikationen und Einsatzbedingungen bei einen Umgebungstemperatur von 25°C um bis zu 6°C abweichen können. Hier setzt nun die von National Semicon-ductor patentierte TruTherm-Technik des LM95231 an. Das Grundproblem bei Chips in 90-nm-Technologie ist deren extrem niedriger Verstärkungsfaktor b von nur 0,5. Produktionsbedingte Schwankungen schlagen darum überproportional stark zu Buche, weil die physikalische Grundlage zur Temperaturerfassung auf Silizium von einer Vereinfachung ausgeht: das Verhältnis der Verstärkung von einem Chip zum anderen beträgt konstant 1. Bei Transistorverstärkungen b von 20 bis 50 der vorangegangenen Generationen ist diese Vereinfachung zulässig.

Die TruTherm-Technik sorgt auch für höhere Zuverlässigkeit

Bei Strukturen von 90 nm und Verstärkungen von unter 1 allerdings muss die TruTherm-Technik, die nun den ganzen Transistor verwendet, um Verstärkungsschwankungen zu kompensieren, eingesetzt werden. Anstatt 6 °C Temperaturabweichung im System sind damit Toleranzgrenzen von 0,5°C erreichbar. Somit arbeitet ein Prozessor länger im optimalen Bereich und das Lüftergeräusch wird zusätzlich verringert, das heißt durch präzise Messungen der Temperatur bietet TruTherm dem Designer die Möglichkeit, die Leistung zu steigern und gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Lebensdauer sicherzustellen.

Als erster Baustein einer Familie bietet der TrueTherm-Temperatursensor LM95231 die Möglichkeit, die Temperaturentwicklung in zwei anderen ICs mittels der dort integrierten Thermodiode zu überwachen und darüber hinaus die eigene Umgebungstemperatur mit der eingebauten Diode zu messen. Die Verbindung zu den zu überwachenden Bausteinen wird jeweils über eine analoge Zweidraht-Schnittstelle hergestellt.

Der LM95231 ist deshalb möglichst nahe zu platzieren. Die Rauschempfindlichkeit wird durch den integrierten 11-Bit-Sigma-Delta-A/D-Wandler und digitale Filter reduziert. Alle 73 ms kommt ein neuer Messwert von der On-Chip-Diode, die jetzt in Wirklichkeit ein kompletter Transistor ist, zum Temperatursensor-Chip LM95231. Er wird von diesem über den digitalen SMBus an die entsprechenden Steuereinheiten (Lüftersteuerung, Taktbegrenzungsschaltung usw.) weitergeleitet. Die Schnittstelle ist mit einem 100-kHz-Takt auch zum I2C-Bus kompatibel. Die Messgenauigkeit über die externen Dioden beträgt +/-0,75°C und die lokale Temperatur wird mit +/- 3,0°C maximaler Abweichung erfasst.

Der LM95231 misst Temperaturen von –40 bis 127 °C und wird im MSOP-8-Gehäuse mit acht Pins angeboten. Weitere Temperatursensor-ICs mit einem bzw. vier Diodeneingängen und TruTherm-Technologie sind in Vorbereitung.

Uwe Kopp ist Product Marketing Manager Data Conversion Systems Europe bei National Semiconductor GmbH, Fürstenfeldbruck.

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