為什么NST1001是一款革命性溫度傳感器產(chǎn)品

溫度傳感器種類繁多，應用也極為廣泛，在我們?nèi)粘Ｋ璧钠嚒?a href="http://wenjunhu.com/soft/data/39-96/" target="_blank">消費電子、家用電器等產(chǎn)品上都存在一個至數(shù)個溫度傳感器。較比其他種類傳感器，溫度傳感器出現(xiàn)的最早，相繼出現(xiàn)了熱電偶傳感器、RTD鉑電阻和集成半導體溫度傳感器等多種溫度傳感器，并且隨著技術的發(fā)展，新型溫度傳感器還在不斷涌現(xiàn)。

本文要介紹的就是一種新型的溫度傳感器——納芯微電子D-NTC?系列高精度雙引腳數(shù)字脈沖輸出溫度傳感器芯片NST1001。這里會介紹它的產(chǎn)品特性和應用電路，讓大家全面了解下這款革命性的數(shù)字測溫產(chǎn)品。

常用測溫方案對比

溫度傳感器的使用非常廣泛，大到工業(yè)過程控制中的溫度變送器，小到家庭必備的電子體溫計都需要通過溫度傳感器來實現(xiàn)溫度檢測，但在這些應用場景中，所采用的測溫方案是不同的。

根據(jù)測溫原理，測溫方案主要有如下幾大類：

熱電偶

鉑電阻RTD

熱敏電阻NTC

CMOS溫度傳感器

圖1：不同種類的測溫方案

熱電偶溫度范圍最寬，可達-200℃~2000℃，使用時需要外部參考端，較為復雜。鉑電阻RTD精度高，范圍范圍也比較寬，但成本較高，外圍電路復雜。NTC熱敏電阻成本較低，但精度有限，本身具有溫度系數(shù)大和非線性輸出的特點。CMOS溫度傳感器又稱為IC溫度傳感器，包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。與上述三種溫度傳感器相比，CMOS溫度傳感器具有非常高的線性度，低系統(tǒng)成本，功能集成度高，外圍簡單，能支持數(shù)字輸出，主要缺點是測溫范圍一般集中在-40℃~125℃，較為局限。

用一張圖表來對比，更加直觀：

表1：幾種常見測溫方案對比

通過以上對比，大家已經(jīng)了解了幾種測溫方案的差異，這些差異也決定了不同的應用場景。熱電偶和RTD兩種方案測溫范圍寬，使用復雜，所以基本局限在工業(yè)應用。熱敏電阻NTC因為低成本和相對易于使用的優(yōu)點使其應用非常廣泛，例如汽車上的水溫、油溫、發(fā)動機進氣溫度、缸內(nèi)溫度到尾氣溫度，家電和小家電中的空調(diào)、冰箱電飯煲等等這些都是NTC的主戰(zhàn)場，物聯(lián)網(wǎng)應用中的環(huán)境溫度測量、水溫探頭，電子體溫計等也都是采用以NTC為主的測溫方案。

CMOS數(shù)字溫度傳感器過去主要以IC形態(tài)存在，采用標準IC的SOP8腳封裝，用在電子產(chǎn)品中的板級測溫，比如硬盤、主板上，輸出信號以I2C接口為主，也有部分采用模擬電壓輸出。隨著摩爾定律的發(fā)展，基于CMOS工藝的數(shù)字溫度傳感器性能越來越好，成本也越來越低。

為什么NST1001是一款革命性溫度傳感器產(chǎn)品

通過上述說明，可以發(fā)現(xiàn)NTC使用最為廣泛，但本質上作為一顆電阻，出身被動器件的草根屬性也帶給了它與生俱來的缺點，精度主要靠生產(chǎn)工藝和分選，內(nèi)部沒有電路，沒有校準能力，使用時依賴外部參考電阻分壓檢測。傳統(tǒng)CMOS數(shù)字溫度傳感器則更像是一個標準IC，采用的SOP8封裝尺寸也較大，響應時間較長，引腳較多，不能與NTC直接替換。

納芯微電子D-NTC?系列NST1001產(chǎn)品兼具了熱敏電阻及CMOS數(shù)字溫度傳感器兩者的優(yōu)勢，結合納芯微扎實的混合信號鏈IC設計能力及創(chuàng)新性專利技術，為傳統(tǒng)NTC測溫市場帶來了一場全新的變革。NST1001本身是一顆內(nèi)部有完整的電源電路、數(shù)字電路、模擬電路，及數(shù)據(jù)處理和存儲能力的IC，具有100%出廠校準的溫度精度保證的同時，采用了極簡的2腳封裝，外圍電路也能夠與NTC直接兼容，參考電阻支持上拉與下拉。

NST1001提供TO-92S和DFN2L兩種封裝，前者便于探頭二次封裝，后者則擁有0.12S的極速響應時間和與0603貼片電阻兼容的外形，更適合于快速響應測溫應用和板級測溫場景。

圖1：NST1001（DFN2L封裝）與1元硬幣大小對比

NST1001功能特點

雙引腳簡化溫度測量，無需額外器件

兩腳連接，節(jié)約布線資源

寬溫度范圍–50°C至150°C

分辨率高，最高可達0.0625℃

全溫域內(nèi)保持高精度

-20℃ ~ 85℃：0.5℃（最大）

-50℃ ~ -20 ℃：0.75 ℃（最大）

+85℃ ~ 150 ℃：0.75 ℃（最大）

脈沖數(shù)型數(shù)字輸出，無需AD轉換接口

單次溫度轉換時間50ms

轉換時工作電流僅30uA，零待機功耗

供電范圍寬，1.65V到5.5V

封裝形式

TO-92s(4mm x 3mm)

DFN2L（1.6mm x 0.8mm）

NST1001管腳定義與功能描述

圖2：NST1001封裝外形及管腳定義

表2：NST1001管腳功能描述

NST1001典型應用電路

D-NTC?的最大優(yōu)勢就是使用簡單。NST1001支持上拉與下拉電阻兩種接法，易于使用，接下來具體介紹：

上拉電阻接法與輸出波形：

圖3：NST1001上拉電阻連接應用電路示意圖

圖3是NST1001的上拉接法典型應用連接圖。上拉電阻R1可以直接連到MCU的VDD，也可以通過一個單獨的GPIO(圖中為GPIO1)為NST1001供電，以便不用時關掉其供電來節(jié)省功耗。有些MCU的GPIO自帶有可配置的上拉電阻，也可以替代外部電阻R1。在某些應用中為了提高對外部抗干擾的能力，可以在靠近NST1001處增加電容C1。C1的取值見下文。圖4是上拉電阻連接模式的典型DQ輸出波形。

圖4： NST1001上拉電阻DQ脈沖波形圖

下拉電阻接法與輸出波形：

圖5：NST1001下拉電阻連接應用電路示意圖

圖5是NST1001的下拉電阻接法典型應用連接圖，類似于常見的NTC溫度采集方案。對應的輸出波形見圖6。

圖6：NST1001下拉電阻脈沖測試波形圖

典型電路中R1與C1的取值

接下來展開來介紹一下典型電路中R1與C1的取值：

上拉或下拉電阻R1可以選取值在500 ohm到10k ohm之間。具體的取值需要在最低工作電壓，功耗和傳輸距離之間進行折衷。由于NST1001進行溫度轉換時有最大45uA的電流，越小的R1在其上的壓降就越小，給芯片的供電電壓就越高。VDD的最小值可以用如下公式進行估算：

另一方面，溫度數(shù)據(jù)發(fā)送時的功耗隨著電阻的減小而變大，因此為了最小化功耗，需要盡量采用更大的電阻。而在有些需要長距離傳輸?shù)那闆r下，考慮到寄生電容對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊?，為了保證溫度脈沖信號可以被正常的發(fā)送出來，電阻R1不能取的太大。

圖7上拉模式下DQ脈沖波形

如圖7，在上拉模式下，由于DQ引腳開關電阻僅為50ohm左右，因此輸出拉低速度一般較快，傳輸能力主要受限于輸出由低變高時，輸出從低拉高到95%穩(wěn)態(tài)值的時間TLH可以如下公式進行計算。

其中C1為外部濾波電容，Cpar為線束對地寄生電容。TLH需要小于DQ高脈沖的最短時間4us。假設R1為5.1k ohm，不考慮Cpar，則C1需要不大于261pF。

實際使用時，用戶需要根據(jù)實際應用的情況，在最低工作電壓，功耗和傳輸距離三個因素之間進行折中。

NST1001溫度計算公式與對應溫度表

NST1001的使用簡單除了管腳數(shù)量少還體現(xiàn)在測溫數(shù)據(jù)獲取簡單，通過下述方程即可直接得到校準后的溫度值：

溫度計算方程：

其中：Temp是溫度值（-50 ℃~ 150 ℃），Num是脈沖數(shù)（1 ~3201個）。

預告

下期內(nèi)容將介紹NST1001評估套件的使用，有興趣的朋友歡迎留言索取評估套件。

圖8：NST1001 USB評估板實物

圖9：NST1001 USB評估軟件