ジャンクション温度とデバイス温度のモニタリング - 半導体事業

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設計電源 Analog Devices

最新の FPGA は、日々集積化が進んでいます。それにより、1枚のボードで扱う電力が上昇し熱設計が難しくなってきています。

ジャンクション温度の計算方法

今までは、筐体設計の段階で「熱」をなんとか対策していましたが、これからは、ボード設計をおこなう段階である程度熱計算をして部品配置などをおこなう必要が出てきています。

ジャンクション温度は、次の計算式で算出することが可能です。

T_{J} = T_{A} + Θ_{JA} \times P

P：消費電力 (W)
T_J：ジャンクション温度 (℃)
T_A：周辺温度 (℃)
Θ_JA：パッケージの熱抵抗 (℃/W)

例えば、周囲温度 25℃ で FPGA のパッケージの熱抵抗が 5℃/W、FPGA の消費電力が 10W だとすると、ジャンクション温度は、TJ = 25℃ + 5℃/W x 10W = 75℃ となります。

メーカーが規定している、絶対最大定格のジャンクション温度以下で使うようにします。
FPGA の周囲温度とジャンクション温度との関係

温度の測定方法

ジャンクション温度を計算式で確認し、デバイスの温度が高いもの同士が干渉しあわないように配置を決定します。デバイスの配置を決めて設計後、基板ができあがってきたら、サーモカメラや熱電対を使用して温度測定を実施します。そして、温度上昇が見積もり通りか、差があったとしても問題無いレベルか確認します。

サーモカメラは、筐体に入れてしまうと使えない場合があったり、熱電対も付け方により温度のバラツキがでたりしてしまいます。そのような場合は、恒温槽を上手く使ったり、熱電対の接着方法を安定化させるようにして測定を行います。

LTC2991 を使った温度測定

アナログ・デバイセズ社の製品 LTC2991 を使うことで、図1 のようにFPGA 内や基板上に配置した温度測定用のダイオードを使用して温度モニタリングをおこなうことが可能になります。

これにより、サーモカメラを入れることができない筐体内でも温度のモニタリングが可能になり、熱電対の接触方法の安定化に悩むことなしに安定した温度測定が可能になります。

Article header library 129469 pic01 1 — 図1：LTC2991 接続例

図1 の使い方では、次のような内容をモニタリングしています。まず、V1-V2 のポートにセンス抵抗 (RSENSE) を接続することで、1.2V のコアの電流をモニターすることで、消費電力のモニターが可能になります。V3 と V4 は、3.3V と2.5V ラインの電圧変動のモニターをおこなっています。V5-V6 のポートを FPGA 内部の温度測定用のダイオードに接続することで、FPGA 内のジャンクション温度を測定することが可能です。さらに、基板上に温度測定用のダイオードを置く事で、V7-V8 ポートでは基板上の温度をモニターすることが可能になります。

これらの測定した結果から、温度上昇が高いと判断した場合、PWM 信号からファンコントロールをおこないエアーフロー制御をおこなうことも可能です。これら LTC2991 の温度モニターの機能については、基板評価時に有効ですが、実際の量産基板に搭載いただくことで、温度ログの取得やファンコントロールや温度による危険予知によってシステムを安全に停止して事故防止をおこなうことも可能になります。