在無線溫度傳感器的能量收集設(shè)計中添加溫度測量功能

溫度監(jiān)測在廣泛的應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用。對于電子系統(tǒng)，高于或低于規(guī)格的溫度會影響電路和系統(tǒng)的標稱性能。除了這些傳統(tǒng)的熱管理應(yīng)用之外，溫度測量已從偶然的系統(tǒng)監(jiān)控功能轉(zhuǎn)變?yōu)槲锫?lián)網(wǎng)(IoT)等應(yīng)用的核心功能。在這里，無線溫度傳感器依靠能量收集技術(shù)來為傳感器數(shù)據(jù)的測量和無線傳輸提供功率。對于這些低功耗設(shè)計，工程師可以找到ADI公司，Maxim Integrated公司，Microchip Technology公司和德州儀器公司等公司提供的集成傳感器IC。

對于一般的溫度測量應(yīng)用，工程師可以從各種溫度傳感器中進行選擇包括熱電偶，RTD，熱敏電阻和IC傳感器。熱電偶通常用于高溫傳感; RTD適用于較低的溫度范圍;和熱敏電阻是精確檢測窄溫度范圍的首選傳感器。每種類型都可以為大多數(shù)應(yīng)用提供足夠精確的測量，但是工程師面臨著產(chǎn)生可靠，準確的溫度數(shù)據(jù)的一系列挑戰(zhàn)。

溫度測量

對于設(shè)計人員來說，實現(xiàn)傳感器應(yīng)用需要構(gòu)建信號調(diào)理電路為下游應(yīng)用提供合適的數(shù)據(jù)。通常，信號調(diào)理電路需要在信號路徑中包括放大器，濾波器，比較器，電壓基準和ADC。此外，根據(jù)傳感器類型，設(shè)計人員需要解決冷溫補償，提供電流或電壓激勵源，并管理查找表以進行線性化(圖1)。

在無線溫度傳感器的能量收集設(shè)計中添加溫度測量功能圖1：使用傳統(tǒng)的溫度傳感器進行設(shè)計，工程師需要滿足激勵和加載的傳感器要求，并構(gòu)建一個能夠?qū)⒎蔷€性傳感器值轉(zhuǎn)換為精確溫度數(shù)據(jù)的信號鏈(由Maxim Integrated提供)。雖然廣泛的復(fù)雜這些器件可用于復(fù)雜的系統(tǒng)級溫度監(jiān)控操作，工程師可以找到更多基本的溫度傳感器IC。這些器件專為溫度測量而設(shè)計，通過將片上溫度傳感器與集成信號調(diào)理電路相結(jié)合，簡化了設(shè)計，無需設(shè)計人員在簡單的傳感器應(yīng)用中解決信號調(diào)理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵細節(jié)問題。這些集成器件具有模擬或數(shù)字輸出，包括在寬溫度范圍內(nèi)產(chǎn)生精確線性輸出所需的所有信號處理功能。這些器件通常可以降低傳感器的總體功耗要求，并且通常提供采用能量采集技術(shù)的無線傳感器設(shè)計所需的極低功耗模式。

德州儀器LM74溫度傳感器集成了帶隙溫度傳感器和12位ΔΣADC，帶有相關(guān)的控制邏輯，寄存器和SPI兼容的三線串行接口(圖2)。默認情況下，器件以連續(xù)轉(zhuǎn)換模式上電，

消耗265μA(典型值)在無線溫度傳感器的能量收集設(shè)計中添加溫度測量功能圖2：IC溫度傳感器通過在芯片上集成傳感器，調(diào)節(jié)和轉(zhuǎn)換電路簡化了溫度傳感應(yīng)用的設(shè)計(由德州儀器公司提供)。但是，因為特別是溫度傳感應(yīng)用只需要定期采樣，工程師可以將LM74置于低功耗關(guān)斷模式，其功耗低于10μA(3.3 V時DSBGA封裝的典型值為3μA，5 V時SOIC封裝的典型值為8μA)。在此模式下，串行接口保持活動狀態(tài)，并且器件在其內(nèi)部寄存器中保留最新的溫度讀數(shù)。因此，工程師可以調(diào)出LM74，完成溫度讀數(shù)，并將器件恢復(fù)到關(guān)斷模式。在任何時候，包括在關(guān)機模式期間，單獨的MCU都可以使用串行接口來收集最新的溫度數(shù)據(jù)。

多樣的配置

工程師可以找到各種各樣的IC溫度傳感器，它們集成了完整的不同分區(qū)信號鏈(再次參見圖1)，以及提供附加功能的信號鏈。 ADI公司的AD22100提供完整的模擬信號鏈，無需額外的模擬電路進行微調(diào)，緩沖或線性化。使用這種類型的器件，工程師必須提供單獨的轉(zhuǎn)換功能，通常依賴于帶集成ADC的MCU。

AD22100提供比例輸出，其輸出電壓與器件電源電壓的溫度成正比：輸出電壓當器件由+5.0 V單電源供電時，在-50°C時從0.25 V擺動至+ 150°C時+ 4.75 V。使用比率傳感器簡化了ADC的使用，因為相同的電源可以作為ADC的參考，無需單獨的，昂貴的精密電壓基準(圖3)。

在無線溫度傳感器的能量收集設(shè)計中添加溫度測量功能圖3：ADI公司的AD22100是比例溫度傳感器IC，允許為AD22100和ADC參考電壓使用相同的+5 V電源，無需單獨的精密電壓基準(由Analog Devices提供)。電源電壓的微小變化影響不大，因為AD22100和ADC都使用電源作為參考。對于基于集成MCU的典型能量收集應(yīng)用，工程師可以類似地使用MCU集成ADC，而無需精確的電壓基準，盡管可能需要一個簡單的RC濾波器來提供對高速尖峰的免疫力。 MCU ADC輸入引腳。

同樣，Microchip Technology MCP9700系列為溫度測量提供了簡單的解決方案?；贛icrochip的線性有源熱敏電阻技術(shù)，傳感器IC系列依賴于內(nèi)部二極管的溫度依賴性來產(chǎn)生與溫度相關(guān)的輸出電壓電平。內(nèi)部二極管的溫度系數(shù)導致輸出電壓與-40°至150°C的相對環(huán)境溫度相關(guān)。對于MCP9700，該溫度范圍內(nèi)的電壓變化可以調(diào)整到10.0 mV/°C(典型值)的溫度系數(shù)。雖然可以使用高度復(fù)雜的熱管理IC，但大多數(shù)都提供針對大型系統(tǒng)監(jiān)控的功能，超出典型無線傳感器設(shè)計所需的范圍。然而，即使是簡單的溫度傳感應(yīng)用也可能存在超出設(shè)計極限的溫度偏移運行的風險。對于這些應(yīng)用，設(shè)計人員可以選擇德州儀器(TI)LM75A等溫度傳感器IC，它們提供熱監(jiān)視器功能，而無需更復(fù)雜的熱監(jiān)控設(shè)備的開銷。

工程師可以使用LM75A等設(shè)備測量溫度，但在發(fā)生過溫情況時也會禁用敏感電路。同樣，Microchip Technology TCN75A不僅可以讓設(shè)計人員測量溫度，還可以監(jiān)控溫度超過設(shè)定閾值時觸發(fā)的報警輸出信號。

溫度傳感器IC可以顯著簡化溫度測量應(yīng)用的實現(xiàn)。另一方面，它們使用片上溫度傳感器意味著如果最佳熱路徑通過其引腳，則器件的測量結(jié)果最終反映其安裝的PCB的溫度(甚至器件芯片本身)。因此，制造商通常建議使用塑料封裝的部件，因為塑料在傳感器和PCB之間起到更有效的熱絕緣體的作用。為了更加隔離，工程師可以將傳感器IC安裝在一個密封的導熱外殼中，放置在感興趣的環(huán)境中。

對于需要完全隔離熱測量的應(yīng)用，工程師仍然可以找到集成完整信號鏈的設(shè)備但依靠外部傳感器。 Maxim Integrated MAX6682和MAX6674分別使用外部熱敏電阻和熱電偶產(chǎn)生數(shù)字溫度數(shù)據(jù)。設(shè)計人員只需將器件的輸入連接到適當?shù)臏囟葌鞲衅?，并將器件的SPI兼容三線輸出連接到MCU，即可實現(xiàn)完整的溫度傳感器(圖4)。

在無線溫度傳感器的能量收集設(shè)計中添加溫度測量功能圖4：無法使用集成溫度傳感器的應(yīng)用可以轉(zhuǎn)向集成IC，例如Maxim Integrated MAX6682和MAX6674，它們集成了完整的信號鏈，但分別依賴于外部熱敏電阻和熱電偶(由Maxim Integrated提供)。 》總結(jié)溫度傳感器IC為基本的溫度測量應(yīng)用提供簡單的低功耗解決方案。通過將片上溫度傳感器與完整信號鏈的模擬甚至數(shù)字級集成，這些器件可將溫度測量結(jié)果作為電壓輸出或最終數(shù)字值。利用可用的集成傳感器IC，工程師可以輕松地為采用能量收集技術(shù)的低功耗無線傳感器設(shè)計添加溫度測量功能。