具有高電磁兼容性(EMC)性能的精密溫度測量系統(tǒng)設(shè)計參考

本文將討論精密溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計考慮因素，以及如何在保持測量精度的同時提高系統(tǒng)的EMC性能。我們將以RTD溫度測量為例介紹測試結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，以便我們能夠輕松地從概念開發(fā)出原型和產(chǎn)品并走向市場。

精密溫度測量和EMC挑戰(zhàn) 溫度測量是模擬領(lǐng)域中最常用的一項檢測技術(shù)。許多測量技術(shù)可用來檢測環(huán)境溫度。熱敏電阻是一種小尺寸且簡單的2線制方案，具有快速響應(yīng)時間，但其非線性和有限的溫度范圍限制了其精度和應(yīng)用。RTD是最穩(wěn)定、最精確的溫度測量方法。RTD設(shè)計的難點在于需要外部激勵、復(fù)雜電路和校準(zhǔn)。沒有溫度測量系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的工程師可能會氣餒。熱電偶(TC)可以提供堅固耐用、便宜、不同測量范圍的解決方案，但完整的熱電偶測溫系統(tǒng)需要冷端補(bǔ)償(CJC)。與熱敏電阻、TC和RTD相比，新型的數(shù)字溫度傳感器可以直接通過數(shù)字接口提供校準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)。精密溫度測量需要高精度溫度傳感器和精密信號鏈來構(gòu)成一個溫度測量系統(tǒng)。TC、RTD和數(shù)字溫度傳感器的精度最高。精密信號鏈器件是可以獲得的，可用來收集這些傳感器信號并將其轉(zhuǎn)換為絕對溫度。在工業(yè)領(lǐng)域，達(dá)到0.1°C的精度是我們的目標(biāo)。這種精度測量不包括傳感器誤差。表1比較了不同類型的溫度傳感器。

表1. 不同類型溫度傳感器的比較

創(chuàng)建數(shù)字溫度測量系統(tǒng)時，特別是針對工業(yè)和鐵路等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用時，不僅要關(guān)注精度和設(shè)計難度，EMC性能也是保持系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵特性。系統(tǒng)需要額外的電路和分立器件以提高EMC性能。但是，更多的保護(hù)器件意味著更多的誤差源。因此，設(shè)計具有高檢測精度和高EMC性能的溫度測量系統(tǒng)是非常具有挑戰(zhàn)性的。溫度測量系統(tǒng)的EMC性能決定其能否在指定的電磁環(huán)境中正常工作。

ADI公司提供各種溫度測量解決方案，例如精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、模擬前端(AFE)、IC溫度傳感器等。ADI AFE解決方案提供多傳感器高精度數(shù)字溫度測量系統(tǒng)，支持直接TC測量、直接RTD測量、直接熱敏電阻測量和定制傳感器應(yīng)用。當(dāng)增加EMC保護(hù)器件時，一些特殊配置可以幫助保持高測量精度。圖1顯示了經(jīng)典比率式溫度測量電路和計算公式。

圖 1. 經(jīng)典比率式溫度測量電路和計算公式

以下部分介紹了溫度檢測解決方案，以便系統(tǒng)設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)出色的EMC性能。

RTD溫度測量解決方案 以 LTC2983 溫度測量AFE為例。系統(tǒng)控制器可以通過SPI接口直接從LTC2983讀取校準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)，精度為0.1°C，分辨率為0.001°C。連接4線RTD時，激勵電流旋轉(zhuǎn)功能可以自動消除熱電偶的寄生效應(yīng)，并降低信號電路漏電流的影響?；谶@些特性，LTC2983可以加速多通道精密溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)高EMC性能而無需復(fù)雜的電路設(shè)計，讓您和您的客戶更有信心。圖2顯示了EMC保護(hù)的LTC2983溫度測量系統(tǒng)框圖。

圖 2. EMC 保護(hù)的 LTC2983 溫度測量系統(tǒng)

RTD無疑是高精度溫度測量的出色選擇，可以測量-200°C至+800°C范圍內(nèi)的溫度。100Ω和1000Ω鉑RTD最常見，但也可以由鎳或銅制成。

最簡單的RTD溫度測量系統(tǒng)是2線配置，但引線電阻會引入額外的系統(tǒng)溫度誤差。將兩個匹配的電流源施加到RTD（引線電阻應(yīng)相等），3線配置便可消除引線電阻誤差。利用高阻抗開爾文檢測直接測量傳感器，開爾文配置或4線配置便可消除平衡或不平衡的引線電阻。然而，成本將是4線配置的主要障礙，因為其需要更多電纜，特別是針對遠(yuǎn)距離溫度測量。圖3顯示了不同的RTD接線配置?？紤]到實際的客戶用例，本文選擇了3線RTD配置并測試其EMC性能。

圖 3. 不同 RTD 接線配置：(a) 2 線，(b) 3 線，(c) 4 線

2線和3線RTD傳感器還可以在PCB上使用開爾文配置。當(dāng)需要將限流電阻和RC濾波器添加到信號鏈路以保護(hù)器件的模擬輸入引腳時，這些額外的電阻會引入很大的系統(tǒng)失調(diào)。例如，用4線開爾文配置取代2線保護(hù)電路可以幫助消除該失調(diào)，因為激勵電流不會流過這些限流電阻和RC濾波器，保護(hù)電阻引起的誤差可以忽略不計（參見圖4）。欲了解更多信息，請參閱 LTC2986數(shù)據(jù)手冊。

圖 4. 4 線配置消除額外的電阻誤差

溫度測量系統(tǒng)的穩(wěn)健性挑戰(zhàn) 與大多數(shù)溫度測量IC一樣，LTC2983可以耐受2 kV HBM ESD電平。但在工業(yè)自動化、鐵路和其他苛刻電磁環(huán)境中，電子器件需要面對更高的干擾電平和更復(fù)雜的EMC事件，例如靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)、輻射敏感性(RS)、傳導(dǎo)敏感性(CS)和浪涌等。為了降低下游設(shè)備遭到損壞的風(fēng)險并提高系統(tǒng)的魯棒性，額外的分立保護(hù)器件是必要的。 EMC事件的三要素是噪聲源、耦合路徑和接收器。如圖5所示，在該溫度測量系統(tǒng)中，噪聲源來自周圍環(huán)境。耦合路徑是傳感器電纜，LTC2983是接收器。工業(yè)自動化和鐵路應(yīng)用總是使用長傳感器電纜來檢測遠(yuǎn)程器件的溫度。傳感器電纜的長度可以是數(shù)米甚至數(shù)十米。較長的電纜導(dǎo)致耦合路徑更大，溫度測量系統(tǒng)面臨更嚴(yán)重的EMI挑戰(zhàn)。

圖 5. 溫度測量系統(tǒng)的 EMI 事件的三要素

采用TVS的系統(tǒng)級保護(hù)解決方案

瞬變電壓抑制器(TVS)和限流電阻是最常見的保護(hù)器件。選擇合適的TVS和限流電阻不僅可以提高系統(tǒng)穩(wěn)健性，還能保持系統(tǒng)的高測量性能。表2顯示了TVS器件的主要參數(shù)，包括工作峰值反向電壓、擊穿電壓、最大箝位電壓和最大反向漏電流。工作峰值反向電壓必須高于最大傳感器信號，以確保系統(tǒng)正常工作。擊穿電壓不應(yīng)比信號電壓高很多，以避免產(chǎn)生很寬的無保護(hù)電壓范圍。最大箝位電壓決定TVS可以抑制的最大干擾信號電壓。反向漏電流會對系統(tǒng)貢獻(xiàn)很大的測量誤差，因此應(yīng)選擇反向漏電流盡可能小的TVS。

表2. TVS主要參數(shù) 正常工作條件下，TVS器件表現(xiàn)出很高的對地阻抗。將一個大于TVS擊穿電壓的瞬變電壓施加于系統(tǒng)輸入端時，一旦TVS被擊穿，輸入端電壓就會被箝位并提供低阻抗接地路徑，將瞬變電流從輸入端轉(zhuǎn)移到地。 圖2所示為3線PT-1000保護(hù)電路。3線PT-1000通過三個相鄰?fù)ǖ肋B接到LTC2983，其受到SMAJ5.0A TVS和100Ω限流電阻的保護(hù)。限流電阻和下游電容形成低通濾波器，以盡可能多地消除輸入線路中的RF成分，使每條線路和地之間的交流信號保持平衡，并在測量帶寬上維持足夠高的輸入阻抗以避免加載信號源。差分模式濾波器的-3 dB帶寬為7.9 kHz，共模濾波器的-3 dB帶寬為1.6 MHz。 該溫度測量系統(tǒng)依據(jù)IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-3、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5和IEC 61000-4-6標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測試。在這些測試下，系統(tǒng)必須正常工作并提供精確的溫度測量。被測傳感器是B類3線PT-1000，其使用約10 m長的屏蔽線。 表3列出了IEC 61000-4-x抗擾度測試項目、測試電平和系統(tǒng)受EMI事件干擾時的溫度波動。圖6顯示了測試時的輸出溫度數(shù)據(jù)曲線，其對應(yīng)于表3中的最大溫度波動。

表3. EMI測試結(jié)果

增加保護(hù)后的溫度測量精度

TVS和限流電阻有助于保護(hù)溫度測量系統(tǒng)不受EMC影響。箝位電壓越低的TVS，越能保護(hù)敏感電路。但反過來，它們可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。為了應(yīng)對這種情況，我們必須使用具有更高擊穿電壓的TVS，因為更高的擊穿電壓意味著在正常工作電壓下漏電流更少。TVS漏電流越低，則給系統(tǒng)增加的誤差越小。

圖 6. 測試時的輸出溫度數(shù)據(jù)曲線
表4. Littelfuse SMAJ5.0A TVS的電氣特性 考慮這些因素，我們使用了一個Littelfuse SMAJ5.0A TVS（可以在大多數(shù)電子元器件經(jīng)銷商那里買到）和一個精度為±0.1%的100Ω限流電阻來保護(hù)系統(tǒng)，避免引入任何顯著的測量誤差。 為了實現(xiàn)高測量精度，我們使用精密電阻矩陣來替換PT-1000傳感器并模擬溫度變化。該精密電阻矩陣已利用Keysight Technologies 3458A萬用表進(jìn)行了校準(zhǔn)。 為了減輕消除匹配引線電阻誤差的困難，我們使用線配置來評估系統(tǒng)的精度性能。這更有利于消除傳感器誤差。 為了更準(zhǔn)確地計算系統(tǒng)誤差，我們需要使用與LTC2983相同的標(biāo)準(zhǔn)將電阻值轉(zhuǎn)換為溫度。傳感器制造商發(fā)布的溫度查找表是最準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換方法。但是，將每個溫度點寫入處理器的存儲器中是不明智的。因此，我們使用以下公式來計算溫度結(jié)果。 當(dāng)T > 0°C時，公式為： ?計算對應(yīng)于電阻值的溫度： ?當(dāng)T ≤ 0°C時，公式為： ?溫度通過多項式擬合得到： ?其中：T為RTD溫度(°C)。R_RTD(T)為RTD電阻(Ω)。R₀ 為RTD在0°C時的電阻（R₀ = 1000 Ω）。A = 3.9083 × 10^–3B = –5.775 × 10^–7C = –4.183 × 10^–12 圖7顯示，在-134°C至+607°C的溫度范圍內(nèi)，總系統(tǒng)誤差不超過±0.4°C。與圖9（顯示了LTC2983對RTD溫度測量的誤差貢獻(xiàn)）相比，附加保護(hù)器件增加了大約±0.3°C的系統(tǒng)誤差，尤其是TVS漏電流。可以看到，隨著溫度升高，系統(tǒng)誤差增加。這就涉及到TVS的I-V曲線特性。系統(tǒng)誤差可計算如下 ?其中：T_error 為LTC2983溫度測量系統(tǒng)的總輸出誤差(°C)。T_cal 為利用精密電阻計算的溫度(°C)，已利用Keysight Technologies 3458A進(jìn)行校準(zhǔn)。T_LTC2983 是LTC2983輸出溫度(°C)。 圖8說明，系統(tǒng)總峰峰值噪聲不超過±0.01°C，此結(jié)果符合數(shù)據(jù)手冊規(guī)格。 圖 7. 系統(tǒng)誤差與溫度的關(guān)系
圖 8. 系統(tǒng)峰峰值噪聲與溫度的關(guān)系
圖 9. LTC2983 對 RTD 溫度測量的誤差貢獻(xiàn)
10. 激勵電流旋轉(zhuǎn)配置：(a) 正向激勵流，(b) 反向激勵流

TVS誤差貢獻(xiàn)和優(yōu)化配置 TVS的I-V曲線特性可以從器件的數(shù)據(jù)手冊中找到。然而，大多數(shù)TVS制造商僅提供器件參數(shù)的典型值，而不是計算TVS在特定電壓下的誤差貢獻(xiàn)（尤其是漏電流誤差）所需的全部I-V數(shù)據(jù)。 本應(yīng)用中使用Littelfuse SMAJ5.0A TVS。測試一些樣品之后，我們發(fā)現(xiàn)漏電流在1 V反向電壓約為1μA，遠(yuǎn)小于TVS數(shù)據(jù)手冊給出的最大反向漏電流。這種漏電流會產(chǎn)生重大系統(tǒng)誤差。但是，如果使能LTC2983的激勵電流旋轉(zhuǎn)，則會大大減少漏電流誤差效應(yīng)。圖10顯示了激勵電流旋轉(zhuǎn)配置和TVS漏電流流動。 當(dāng)R_sense與流過RTD的激勵電流相同時，RTD的電阻R_T可以表示為： ?當(dāng)對正向激勵流使用激勵電流旋轉(zhuǎn)配置時（如圖10(a)所示），RTD電阻R_RTD1計算如下： ? ? ?其中：R_sense 為檢測電阻的實際電阻值R_RTD 為測量周期中RTD的實際電阻值V_sense1 為檢測電阻處的實測電壓值V_RTD1 為正向激勵流周期中RTD的實測電壓值，如圖10(a)所示。R_RTD1 為正向激勵流周期中RTD的計算值 當(dāng)對反向激勵流使用激勵電流旋轉(zhuǎn)配置時（如圖10(b)所示），RTD電阻R_RTD2計算如下： ? ? ?其中：V_sense2 為檢測電阻的實測電壓值。V_RTD2 為反向激勵流周期中RTD的實測電壓值，如所示圖10(b)所示。R_RTD2 為反向激勵流周期中RTD的計算值 根據(jù)TVS測量數(shù)據(jù)，在2 V反向電壓下，最大漏電流和最小漏電流之差平均約為10%。四個TVS的位置和匹配程度可能會引起相當(dāng)大的系統(tǒng)誤差。為了顯示誤差最大的情況，我們可以假設(shè)I_TVS為平均漏電流， I_TVS1 = I_TVS2 = 0.9 × I_TVS，而 I_TVS3 = I_TVS4 = 1.1 × I_TVS。 ? ? ?如果不使用激勵電流旋轉(zhuǎn)配置，RRTD1或RRTD2將包括最大TVS誤差貢獻(xiàn)。 或 為誤差因子。使用激勵電流旋轉(zhuǎn)配置時，最終計算結(jié)果為： ? ? ? ?當(dāng)Error(R_RTDROT) = min {Error(R_RTD1), Error(R_RTD2)}時，Error (R_RTDROT)將等于Error (R_RTD1)，或者Error(R_RTDROT)將等于Error(R_RTD2)。根據(jù)公式13至公式18，當(dāng)I_exc = 6 ×I_TVS，Error (R_RTDROT)將等于min {Error(R_RTD1), Error(R_RTD2)}。當(dāng)I_exc = 6 × I_TVS時，由于TVS漏電流，系統(tǒng)的精度將會降低16.7%。 ?根據(jù)配置和測試結(jié)果，I_exc > 6 × I_TVS，因此I_exc > 100 × I_TVS。圖11顯示了系統(tǒng)誤差，其中：R_RTDROT為采用激勵電流旋轉(zhuǎn)時的最終RTD電阻計算結(jié)果。Error(R_RTDROT) 在使用激勵電流旋轉(zhuǎn)配置時的TVS誤差貢獻(xiàn)，單位為°C。Error(R_RTD1) 和 Error(R_RTD2) 是不使用旋轉(zhuǎn)配置時的TVS誤差貢獻(xiàn)，單位為°C。 上面的推導(dǎo)告訴我們，激勵電流旋轉(zhuǎn)配置可以減少TVS漏電流的誤差貢獻(xiàn)。以下測試結(jié)果證實了我們的斷言。 圖11顯示了不同激勵電流模式和TVS配置的系統(tǒng)誤差。如圖所示，當(dāng)不使用TVS時，旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)配置的系統(tǒng)精度大致相同。然而，使能激勵電流旋轉(zhuǎn)會自動消除寄生熱電偶效應(yīng)，對此的更詳細(xì)說明請參閱 LTC2983數(shù)據(jù)手冊。使用TVS保護(hù)系統(tǒng)時，總系統(tǒng)誤差會增加。但是，激勵電流旋轉(zhuǎn)配置可以顯著降低TVS漏電流的誤差影響，從而有助于在大部分溫度測量范圍內(nèi)實現(xiàn)與非TVS保護(hù)系統(tǒng)類似的精度水平。與沒有TVS的系統(tǒng)相比，額外的誤差是由TVS器件間差異貢獻(xiàn)的。

圖 11. 系統(tǒng)誤差與不同硬件和軟件配置的關(guān)系

結(jié)論 溫度測量系統(tǒng)設(shè)計常被認(rèn)為不是艱巨的任務(wù)。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計人員而言，開發(fā)高度精確且穩(wěn)健的溫度測量系統(tǒng)是一個挑戰(zhàn)。LTC2983智能數(shù)字溫度傳感器可以幫助戰(zhàn)勝這一挑戰(zhàn)，開發(fā)出可以快速推向市場的產(chǎn)品。

• 這種受保護(hù)的LTC2983溫度測量系統(tǒng)具有±0.4°C的系統(tǒng)精度。測量誤差包括LTC2983誤差、TVS?限流電阻誤差和PCB誤差貢獻(xiàn)。
• LTC2983旋轉(zhuǎn)激勵電流配置可以顯著減少保護(hù)器件的漏電流誤差效應(yīng)。
• LTC2983溫度測量系統(tǒng)可以在常見保護(hù)器件的加持下提供高EMC性能。有關(guān)EMI測試結(jié)果，請參閱表3。

本文給出了某些特定配置的精度和EMC性能測試結(jié)果。您可以選擇不同的TVS器件和限流電阻來獲得不同的測量精度和EMC性能，以滿足您的生產(chǎn)需求。