基于FPGA的芯片温度分布测量研究及工程应用

现场可编程门阵列FPGA具有运算速度快,灵活性强,功耗低等优势,已被广泛应用于通讯、图像、信息处理等领域。以FPGA内部门阵列搭建环形振荡器作为温度传感器也被普遍用于FPGA热特性问题的研究。半导体工艺技术的发展提高了芯片集成度,芯片运行频率的升高也增加了芯片功耗,二者共同作用使得芯片运行时的温度急剧增加,大大降低了芯片的可靠性。所以基于FPGA平台监测芯片运行温度,掌握芯片的温度分布具有重要意义。在FPGA内嵌环形振荡器的基础上,本文提出了一种基于FPGA内嵌环形振荡器测量外部芯片温度分布的方法。主要是利用FPGA内嵌环形振荡器作为温度传感器并搭建智能温度传感网络,动态测量被测芯片的温度分布。与传统红外测量相比,它操作简单,无破坏性,适用范围广,满足了快速测量芯片温度分布的工业需求。具体的内容包括以下几个方面:一、温度传感网络的搭建。首先是基于FPGA内部逻辑资源形成内嵌环形振荡器,将环形振荡器作为温度传感器并搭建智能温度传感网络,多次循环扫描温度传感器,快速测量多种芯片的温度分布。温度传感器通过环形振荡器将温度信号转换成脉冲信号,该脉冲信号的频率与温度成线性关系,计数模块根据参考时钟计算出环形振荡器的输出频率,然后通过串口UART通信传送到上位机中。二、测量精度的优化与结果验证。首先被测芯片与FPGA贴合时为减少热传递的损失,需要激光减薄FPGA的封装厚度。其次利用Tcl语言错位布局温度传感器的位置并多次测量以提高测量精度,最后建立被测芯片的温度分布图并在上位机中显示。温度传感器测量的温度分布图与红外测量的温度分布图作对比,验证方法的正确性。三、热阻测试仪系统的工程应用。以FPGA为基础设计了与上位机的uart通信模块。以VS2010为开发平台,设计了2款操作友好的人机界面。一款是3通道LED与1通道VDMOS集成的热阻测试仪软件,可以同时测量三端器件热阻或3种不同两端器件热阻。另一款是外加脉冲功率下VDMOS的热阻测试仪软件,在外加脉冲功率条件下循环测量VDMOS的热阻,研究热阻值与脉冲宽度、占空比以及稳态热阻的关系,并在测量完成后绘制多条不同占空比下热阻值随脉冲宽度变化的曲线图。