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非揮發性記憶體暫存器:新一代數位溫度感測器安全性和可靠性大躍進
[作者 Bryce Morgan]   2019年11月15日 星期五 瀏覽人次: [1357]

幾乎每天都有新聞報導談論某些電子產品因使用不當或因設計不當產生過熱,可能導致災難性問題。儘管過熱的產品必然會引起問題,但對無法避免的過熱問題,正確的溫度管理設計應該是合理、謹慎的成為產品設計的一部分。本文將介紹數位輸出(I2C協定)溫度感測器中包含的內部用戶可程式化設定的暫存器,以及如何使用內建非揮發性記憶體暫存器的數位溫度感測器應對這一領域常見的設計挑戰。


溫度感測器暫存器

我們先來看一下如何設計工業界標準I2C溫度感測器的內部暫存器的背景細節。這些I2C溫度感測器有時稱為符合「LM75型」協議的元件,其中包含4個基本內部暫存器:


‧ 索引暫存器


‧ 配置暫存器


‧ 高溫(THIGH)限制暫存器


‧ 低溫(TLOW)限制暫存器



圖1 : 瞭解如何利用數位溫度感測器中的非揮發性記憶體暫存器來實現更好的溫度管理。
圖1 : 瞭解如何利用數位溫度感測器中的非揮發性記憶體暫存器來實現更好的溫度管理。

電源啟動後,這些暫存器讓使用者能夠透過主機控制器在初始化過程期間去配置或客製化溫度感測器的操作設定,但溫度暫存器除外,稍後會詳細介紹。指標暫存器允許通過間接「指向」所選暫存器來存取四個暫存器中的一個。配置暫存器、TLOW和THIGH 限制暫存器以及溫度暫存器無法透過I2C軟體命令直接存取,只能通過使用索引暫存器來存取,如圖2所示。



圖2 : 圖解說明了典型數位輸出溫度感測器中的標準暫存器
圖2 : 圖解說明了典型數位輸出溫度感測器中的標準暫存器

配置暫存器用於控制元件的關鍵操作模式和設定,例如溫度轉換解析度、溫度誤差佇列、ALERT接腳極性、警報恆溫模式和關機模式。市場上的一些元件也具有單觸發模式。單觸發模式是一種節能模式,允許元件退出待機模式進行溫度測量、更新溫度暫存器,然後返回待機模式。


溫度暫存器是一個唯讀暫存器,用於儲存最新溫度測量的數位化值,只需讀取即可瞭解最新的溫度測量值。溫度暫存器可以隨時讀取,由於溫度測量是在背景下執行的,因此讀取溫度暫存器不會影響正在進行的任何其他操作。


TLOW和THIGH溫度限制暫存器用以儲存使用者設定的計溫度下限和溫度上限以用於溫度警報。圖3顯示典型的溫度曲線。例如,如果用戶將TLOW和THIGH溫度限制暫存器分別設置為50°C和85°C,溫度感測器將設置標誌並可以驅動其輸出接腳,以便在超過任一限制值時通知主機控制器。



圖3 : 該圖顯示出溫度測量值,包括溫度超出TLOW和THIGH溫度限制暫存器的值。
圖3 : 該圖顯示出溫度測量值,包括溫度超出TLOW和THIGH溫度限制暫存器的值。

揮發性記憶體暫(RAM)暫存器面臨的挑戰

我們已經介紹了一些基本操作,現在討論一下設置這些暫存器的常見問題。第一個問題是這些用戶可程式化暫存器是屬於揮發性記憶體類型暫存器,這意味著一旦斷電,暫存器儲存的資料值就不會被保存或保留。


由於這些揮發性記憶體暫存器必須在每次系統啟動和初始化期間更新,這就有可能會產生不可靠的高風險時脈事件,進而無意間對這些暫存器進行錯誤配置,將其設定為可能導致產品出現嚴重散熱問題的錯誤設定。您是否想過產品在其整個生命週期中被啟動多少次?對於某些產品,它可能是數百次,而其他產品可能是數千次,在啟動順序期間出現錯誤的可能性更高。這是一個嚴重的問題。


在上面提供的例子中,TLOW和THIGH溫度限制暫存器分別設置為50°C和85°C;但是,如果THIGH溫度限制暫存器由於系統雜訊在啟動順序期間無意中設定為185°C,並導致只有一個數位位元被設定為邏輯1狀態,將會發生什麼?這種不良事件可能不會導致系統過熱後溫度升至著火點,但它肯定會導致系統效能欠佳,甚至可能十分糟糕。如今,對於許多產品而言,在啟動順序期間涉及很多內容,包括產品中主要模組和元件的時脈。這些事件的時脈對於實現正確的最終用戶操作非常關鍵。


這導致了下一個問題:客戶有多少次退回您的某個產品進行故障分析,但是故障模式卻無法再現?此產品在您工廠進行重新測試時能夠正常工作,因此將為客戶返回內容為「未發現問題」的報告。嚴謹產品設計的眾多目標之一是考慮最終客戶可能看到的潛在故障模式中的「假設」,並嘗試在產品驗證中透過設計或功能實現消除它們,然後再發佈給客戶。在使用分離式溫度感測器時,無論協定類型或技術如何,此方案都會確定您的下一個產品設計中需要考慮的全新“假設”情況。


非揮發性記憶體(EEPROM)暫存器:改變溫度管理規則

這些問題的潛在解決方案是使用不僅包含揮發性暫存器,還包含整合的非揮發性記憶體暫存器的溫度感測器,如圖4所示。



圖4 : 啟動時,溫度限制暫存器的內容將由Microchip的AT30TS750A數位溫度感測器中的非揮發性記憶體自動複製。
圖4 : 啟動時,溫度限制暫存器的內容將由Microchip的AT30TS750A數位溫度感測器中的非揮發性記憶體自動複製。

如您所見,配置暫存器和高低溫限制暫存器均整合在各自擁有的非揮發性暫存器。非揮發性暫存器透過使用預先定義的啟動預設值實現簡單的「隨插即用」操作,進而改善溫度感測器的功能。即使在元件再重複上電後,非揮發性暫存器也會保留設定和溫度限制設定,無需在每次上電操作後重新設定溫度感測器。


這一解決方案透過程式設計溫度感測器的整合非揮發性TLOW和非揮發性THIGH溫度限制暫存器工作,例如分別為50°C和85°C。這些溫度限值儲存在非揮發性記憶體中,確保溫度限值,以便在隨後的啟動順序中,溫度感測器只需在內部將先前預程式設計的非揮發性THIGH和非揮發性TLOW溫度限制暫存器中的85°C和50°C值複製到相應的揮發性THIGH和TLOW溫度限制暫存器。


您可能想知道這種解決方案如何在啟動期間解決揮發性暫存器設置的損壞問題。


答案是主機控制器將可不再需要透過I2C通信匯流排的控制協定,在每次的啟動順序期間重新設置揮發性暫存器,這樣便可完全消除暫存器損壞的風險,因為沒有主機控制器到溫度軟體的協定。這簡化了系統啟動順序,同時減少或消除了設定時對主機控制器的依賴性,因而使系統更加可靠。額外的靈活性允許溫度感測器獨立運行,而不是依靠主機控制器進行元件設定。


提高所述解決方案可靠性的另一種方法是,將非揮發性暫存器中的暫存器鎖定功能與可逆或永久性設定整合,以避免錯誤地設定非揮發性暫存器。這種暫存器鎖定功能(例如AT30TS750A中的功能)可實現永久溫度感測器設定,並能夠透過防篡改設定消除風險,進而降低產品責任風險。


如今,任何提高產品可靠性同時降低責任風險的方法都是雙贏的商業慣例。


此外,還能夠可逆地或永久地鎖定整合非揮發性暫存器,以便在未來出現錯誤設定或資料篡改時避免更改任何暫存器資料,這將顯著提高非揮發性暫存器在產品中的價值,同時還可提高系統可靠性和安全性。


總結

希望您現在更清楚地理解溫度管理的幾個設計考慮因素。對揮發性記憶體暫存器的擔憂多年來一直困擾著工程師,但新型數位溫度感測器(如Microchip的AT30TS750A)整合了非揮發性記憶體暫存器,使設計人員能夠擺脫這一由來已久的問題的困擾,同時在溫度管理方面取得新的進步。


(本文作者Bryce Morgan為Microchip 混合訊號及縣性產品部門產品行銷經理)


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