使用具有不同理想因子的設(shè)備進(jìn)行精確的溫度測量

作者：Sal Afzal and Shuilin Tian

準(zhǔn)確測量溫度的能力對(duì)于電力系統(tǒng)的可靠運(yùn)行至關(guān)重要。準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)可以揭示系統(tǒng)的瞬時(shí)運(yùn)行狀況，并啟用熱關(guān)斷等實(shí)時(shí)保護(hù)功能。例如，溫度的顯著變化率可能表明功耗增加。如果實(shí)施了適當(dāng)?shù)臏囟确答伝芈?，則此信息可用于在溫度上升到危險(xiǎn)水平之前降低功耗。

也許最便宜和最普遍的溫度傳感器是二極管。硅p-n結(jié)在室溫下的正向壓降約為700mV，溫度系數(shù)為?2.2mV/C。在許多系統(tǒng)中，這種對(duì)溫度的敏感性被用作測量溫度的一種手段，只需用恒定電流偏置二極管并測量產(chǎn)生的電壓（見圖1）。

圖1.一個(gè)3.3V或更高的電阻器可提供足夠恒定的電流。

這種方法已經(jīng)獲得了廣泛的接受和普及，因?yàn)樵S多微處理器、FPGA、DC/DC轉(zhuǎn)換器和其他高功率器件都包括二極管結(jié)（通常以雙極晶體管的形式），用于監(jiān)測器件本身的溫度。

操作理論

二極管結(jié)的正向壓降與溫度的關(guān)系為：

(1)

我在哪里D是二極管電流，VD是二極管電壓，IS是反向飽和電流（過程相關(guān)參數(shù)），η是理想因子（通常接近1.0）。VT定義為：

其中T是以開爾文為單位的二極管結(jié)溫，k是玻爾茲曼常數(shù)，q是電子電荷。VT室溫下約為26mV，隨開爾文溫度線性變化。

我S隨溫度升高，導(dǎo)致 ln（ID/我S） 隨溫度下降，產(chǎn)生大約 ?2.2mV/°K 復(fù)合二極管電壓斜率。

不幸的是，這些測量的準(zhǔn)確性在很大程度上取決于IS，因生產(chǎn)批次而異。此外，必須校準(zhǔn)初始偏移。這種可變性使得使用單點(diǎn)正向電壓測量幾乎不可能獲得精確的溫度絕對(duì)值。

由于η是一個(gè)常數(shù)，因此要獲得與溫度成比例的線性電壓IS期限是唯一必須取消的期限。這可以通過測量兩個(gè)不同電流水平下的二極管電壓變化來實(shí)現(xiàn)，其中

如果

然后

如

如果我們?cè)趦蓚€(gè)不同的電流下進(jìn)行二極管測量，比率為10，則得到的電壓為每開爾文198μV。測試電流的絕對(duì)值并不重要，重要的是兩個(gè)電流的比值決定了?VD.此技術(shù)消除了對(duì) I 的依賴S，將理想因子作為從測量電壓產(chǎn)生溫度的唯一變量，其中理想因子本質(zhì)上是給定結(jié)型的常數(shù)，不同結(jié)類型之間的差異很小。

簡化溫度測量

雖然?VD測量溫度的方法看起來很簡單，其使用變得復(fù)雜，因?yàn)楸仨毷占褪褂迷S多準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算，即：

二極管由兩個(gè)精確比例的電流驅(qū)動(dòng)

必須對(duì)相應(yīng)的電壓進(jìn)行兩次精確測量

記錄已知的電流值和電壓結(jié)果，并計(jì)算結(jié)果溫度。

溫度監(jiān)控 IC（例如 LTC2990、LTC2991 和 LTC2997）可以解決這些復(fù)雜問題，同時(shí)使用上述差分測量技術(shù)來消除誤差并提供精度在 1°C 以內(nèi)的溫度測量值。 它們還通過取V來補(bǔ)償串聯(lián)電阻誤差D在多個(gè)工作電流下進(jìn)行測量。它們測量遠(yuǎn)程和環(huán)境溫度以及電壓和電流。

LTC2997 提供了一個(gè)模擬輸出，非常適合于過熱報(bào)警和測量。無需校準(zhǔn)。比率電流和三角形電壓測量均在器件內(nèi)部進(jìn)行，并在輸出端顯示電壓結(jié)果，靈敏度為4mV/°C。

與 LTC2997 一樣，LTC2990 和 LTC2991 在內(nèi)部進(jìn)行所有必要的測量和溫度計(jì)算。它們分別具有四個(gè)和八個(gè)測量通道。兩款器件均具有板載ADC，可用于進(jìn)行單端或差分電壓測量。它們還使用內(nèi)部二極管或使用測量通道的外部遠(yuǎn)程二極管測量溫度。它們通過 I 傳達(dá)所有測量結(jié)果2C 接口。

處理理想因素

這三款器件均設(shè)計(jì)用于測量溫度，精度優(yōu)于1°C，使用理想因數(shù)為1.004的器件的基極發(fā)射極結(jié)，例如廣泛使用的MBBT 3904。如果目標(biāo)傳感器的理想系數(shù)與1.004不同，則可以使用以下公式在軟件中進(jìn)行補(bǔ)償

在選擇溫度傳感器時(shí)，考慮此參數(shù)非常重要，因?yàn)樗赡軙?huì)在絕對(duì)溫度測量中產(chǎn)生誤差。與1.004偏差±1%的理想因子將導(dǎo)致0°C時(shí)的誤差為2.7°C，100°C時(shí)的誤差為4°C。 但是，對(duì)于大多數(shù)交匯點(diǎn)，η傳感器誤差為 <1%，比設(shè)備單位間變化貢獻(xiàn)的誤差更小。

例如，圖 2 示出了 LTC2990 與 LTM4630 μModule 穩(wěn)壓器接口的應(yīng)用，該穩(wěn)壓器具有一個(gè)帶一個(gè)內(nèi)部 PNP 二極管的 TEMP 引腳。

圖2.LTC2990 與 LTM4630 接口的框圖。

該二極管的理想因數(shù)為1.008，與1.004僅相差0.4%。因此，LTM4630 與 LTC2990 接口時(shí)的絕對(duì)溫度讀數(shù)在 1°C 的準(zhǔn)確度以內(nèi)，直到溫度超過 250°C，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了兩個(gè)器件的工作范圍。

為了證明這一點(diǎn)，使用圖3所示的設(shè)置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。一個(gè) 2N3904NPN 晶體管放置在非?？拷?TEMP 引腳的位置，以便測量與 LTM4630 內(nèi)部結(jié)相同的局部溫度。LTC2990 和 LTM4630 單元均放置在烤箱內(nèi)，并加熱至 15°C、25°C、40°C、60°C 和 80°C。 LTM4630 模塊已上電，但不存在負(fù)載，因此 LTM4630 的內(nèi)部溫度不會(huì)高于本地電路板溫度。溫度測量采用 LTC2990 的內(nèi)部傳感器、2N3904 和 LTM4630 TEMP 引腳進(jìn)行。圖4顯示了15°C下測量數(shù)據(jù)的直方圖。

圖3.使用 2N3904 二極管測試設(shè)置。

圖4.LTC2990 內(nèi)部傳感器、一個(gè) 2N3904 二極管和 LTM4630 TEMP 引腳 （連接至內(nèi)部 PNP 二極管） 的溫度測量比較。

LTC2990 的內(nèi)部傳感器顯示烤箱的環(huán)境溫度約為 15.5°C。 由于 LTM4630 模塊已供電，其運(yùn)行速度比環(huán)境溫度高幾度。因此，2N3904 和 LTM4630 的溫度讀數(shù)約為 21.6°C。 2N3904和LTM4630讀數(shù)的放大圖如圖5所示。

圖5.2N3904 和 LTM4630 的 LTC2990 溫度測量值特寫。

兩個(gè)傳感器之間的相關(guān)性很容易看出，兩個(gè)傳感器的分布中心在21.8°C左右，并且彼此相距在1°C以內(nèi)，這驗(yàn)證了我們之前的說法，即由于理想因子偏差僅為0.4%，誤差在1°C以內(nèi)。無需更正η。

過采樣以獲得更好的分辨率

曲線的寬度表示ADC量化噪聲，可以通過軟件輕松濾除。雖然可以使用運(yùn)行平均值進(jìn)行過濾，但它要求處理器存儲(chǔ)所平均樣本數(shù)的數(shù)據(jù)。對(duì)于具有內(nèi)存限制的處理器，這可能不是可取的。圖6顯示了用于實(shí)現(xiàn)低通濾波器的偽代碼。

圖6.低通濾波的C偽碼實(shí)現(xiàn)。此處提供了示例代碼。

過濾是通過添加新的溫度數(shù)據(jù)，然后每次減去平均值來完成的。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是不需要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的歷史。如果 N 是 2 的冪，則可以通過簡單的移位來完成除法。再次獲取讀數(shù)，圖7顯示了過濾后的數(shù)據(jù)分布。此處提供了使用 DC2026 Linduino 和 LTC2990 的代碼示例。?

圖7.2N3904 和 LT4630 之間的濾波 LTC2990 溫度測量比較。

請(qǐng)注意溫度峰值如何偏移0.1°C。 該誤差是由于0.4%的理想因子誤差造成的。如果我們使用公式2補(bǔ)償理想因子，兩個(gè)峰會(huì)很好地對(duì)齊，如圖8所示。補(bǔ)償確保具有不同η值的傳感器在相同條件下可以產(chǎn)生相同的絕對(duì)溫度。

圖8.2N3904 和軟件校準(zhǔn)的 LTM4630 之間的 LTC2990 溫度測量比較。

總結(jié)

我們的溫度監(jiān)測器使溫度測量變得簡單方便。測量與反向飽和電流和串聯(lián)電阻無關(guān)。與具有不同理想因數(shù)的器件接口時(shí)引入的誤差雖然通?？梢院雎圆挥?jì)，但可以精確校準(zhǔn)，從而允許使用帶有各種二極管溫度傳感器的溫度監(jiān)視器。

審核編輯：郭婷