高準確度 (±1°C) 溫度檢測器改善了系統(tǒng)性能和可靠性

趨向日益密集的計算能力之發(fā)展已經(jīng)增大了與熱量有關的挑戰(zhàn)。在很多系統(tǒng)中，冷卻系統(tǒng)的能力對整體性能構成了很大的限制。標準冷卻組件 (笨重的散熱器和耗費大量功率、充滿噪聲的風扇、或安靜但昂貴的風扇) 會給組件排列緊密的電子產品增加了尺寸限制。最大限度地提高性能、最大限度地降低冷卻要求并確保電子產品正常工作的惟一方法是在系統(tǒng)各處采用準確、精密和全面的溫度監(jiān)視。

考慮到這一點，凌力爾特公司開發(fā)了高度準確的溫度監(jiān)視器系列，該系列產品可以非常容易地放置在系統(tǒng)各處。這個系列包括：

 LTC®2997 可準確測量其自身的溫度或一個外部二極管的溫度。

 LTC2996 增加了監(jiān)視功能，它將所測得的溫度與一個高溫或低溫門限進行比較，通過開漏報警輸出，就任何溫度過高情況發(fā)出通知。

 LTC2995 整合了 LTC2996 和一個雙路電源電壓監(jiān)視器，能測量溫度、將溫度與可配置門限進行比較，并監(jiān)察兩個電源電壓。

LTC2997 是一款纖巧的高準確度溫度檢測器

LTC2997 采用 2mm x 3mm 6 引腳 DFN 封裝，非常適合測量 FPGA 或微處理器的溫度，如圖 1 所示。

圖 1：遠端 CPU 溫度檢測器

為此，LTC2997 向 FPGA 或微處理器的溫度監(jiān)視二極管發(fā)送測量電流，并在其 VPTAT 輸出上產生與二極管溫度成比例的電壓。LTC2997 還在 VREF 輸出提供一個 1.8V 的基準電壓，該基準電壓可用作 FPGA 或微處理器中內置 ADC 的基準電壓。對于這種采用外部檢測器組件的配置，在 0°C 至 100°C 的溫度范圍內，其測量誤差保證為 ±1°C，在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內保證為 ±1.5°C。典型溫度測量誤差會是小得多的，如圖 2 所示。

圖 2：溫度誤差隨溫度的變化 (LTC2997 與遠端二極管的溫度相同)

ERROR：誤差

通過將 D+ 引腳連接到 VCC，就可將 LTC2997 配置為使用其內部溫度檢測器。VPTAT 電壓有一個 4mV/K 的斜坡，每 3.5ms 更新一次。

工作原則

LTC2997 在多個測試電流上測量二極管電壓，并用該測量值消除任何受工藝影響的誤差和串聯(lián)電阻誤差，因而實現(xiàn)了令人贊嘆的準確度。

從二極管方程中可以解出 T，其中 T 是開氏溫度，IS 是工藝影響因數(shù)，量級為 10-13A，η 是二極管理想性因數(shù)，k 是波爾茲曼常數(shù) (Boltzmann constant)，q 是電子電荷：

從這個方程看出，溫度和電壓之間是有聯(lián)系的，其聯(lián)系取決于受工藝影響的變量 IS。在兩個不同的電流上測量同一個二極管 (IS 值相同)，產生一個與 IS 無關的表達式。自然對數(shù)項中的值變成了兩個電流的比值，該比值是不受工藝影響的:

與遠端二極管串聯(lián)的電阻提高了在每個測試電流上所測得的電壓，因此導致了正的溫度誤差。復合電壓等于：

其中 RS 是串聯(lián)電阻。

LTC2997 通過減去一個消除電壓 (參見圖 3a)，從檢測器信號中去掉了這個誤差項。電阻提取電路用一個額外的測量電流 (I3) 來確定測量通路中的串聯(lián)電阻。一旦確定了正確的電阻值，VCANCEL 就等于 VERROR?，F(xiàn)在，由于串聯(lián)電阻和檢測器溫度可以利用電流 I1 和 I2 確定，所以溫度至電壓轉換器的輸入信號就免除了誤差。

高達 1k 的串聯(lián)電阻一般引起低于 1°C 的溫度誤差，如圖 3b 所示，這使 LTC2997 成為讀出與溫度管理系統(tǒng)相距幾米遠的二極管檢測器讀數(shù)之理想器件。確實，最長距離更加受制于線路電容而不是線路電阻。大于 1nF 的電容會在各種不同的檢測點上影響檢測器電壓的穩(wěn)定性，因此引入了額外的溫度讀數(shù)誤差。例如，一條 10m 長的 CAT 6 電纜具有大約 500pF 的電容。[!--empirenews.page--]

(a)  

( b) 

圖 3：串聯(lián)電阻消除。(a) 簡化方框圖;(b) 溫度誤差隨串聯(lián)電阻的變化

RESISTANCE EXTRACTION CIRCUIT：電阻提取電路

TEMPERATURE TO VOLT CONVERTER：溫度至電壓轉換器

ERROR：誤差

SERIES RESISTANCE：串聯(lián)電阻

與很多遠端二極管檢測器不同，LTC2997 由于更新時間短 (3.5ms)，面對溫度變化有可靠的溫度測量算法，因此可以準確跟蹤快速變化的溫度，即使在測量間隔中也是如此。圖 4 顯示，當 LTC2997 整個置于冰水中之后立即浸入沸水中，該器件內部檢測器的階躍響應。

圖 4：LTC2997 內部檢測器的熱階躍響應

LTC2997 CONNECTED VIA 5 INCH 30AWG WRAPPING WIRES：

通過 5 英寸 30AWG 繞線連接的 LTC2997

AIR：空氣

ICE WATER：冰水

BOILING WATER：沸水

TIME：時間

當應用于溫度調節(jié)環(huán)路時，與數(shù)字同類器件相比，LTC2997 有很多優(yōu)勢。它的快速響應時間和模擬輸出溫度消除了數(shù)字系統(tǒng)所需的大部分復雜性。例如，圖 5 顯示了 LTC2997 用于一個溫度穩(wěn)定在 75°C 加熱器中的情況。在這個應用中，基準電壓 (通過一個電阻分壓器) 用來產生 1.392V (= [75 + 273.15]K • 4mV/K) 的目標電壓。

圖 5：75°C 模擬 PWM 加熱器控制器

MEASURE TEMPERATURE AND SET TARGET TEMPERATURE WITH RESISTIVE DIVIDER：

用電阻分壓器測量溫度并設定目標溫度

INTEGRATE TEMPERATURE ERROR：對溫度誤差積分

PWM OSCILLATOR：PWM 振蕩器

第一個微功率軌至軌放大器 LTC6079 對 LTC2997 的 VPTAT 輸出和目標電壓之差進行積分。積分所得誤差信號由 PWM 振蕩器轉換為脈沖寬度調制信號，該信號再驅動 PMOS 開關，控制通過加熱電阻器的電流。

LTC2997 還可用來構成攝氏溫度計 (圖 6)、華氏溫度計 (圖 7)、具備冷結補償?shù)臒犭娕紲囟扔?(圖 8)、或用于其他無數(shù)需要準確升和快速溫度測量的應用。

圖 6：攝氏溫度計

圖 7：華氏溫度計

圖 8：具備冷結補償?shù)臒犭娕紲囟扔?/p>

TYPE K THERMOCOUPLE：K 類型熱電偶

LTC2996 溫度監(jiān)視器

LTC2996 在 LTC2997 的基礎上增加了門限輸入 VTH 和 VTL，并持續(xù)比較 VPTAT 與這些門限，以檢測溫度過高 (OT) 或溫度過低 (UT) 情況。門限輸入電壓可以便利地通過從內置基準電壓的電阻分壓器設定，如圖 9 所示。[!--empirenews.page--]

圖 9：具備過溫和欠溫門限的遠端溫度監(jiān)視器

TEMPERATURE CONTROL SYSTEM：溫度控制系統(tǒng)

如果圖 9 中遠端二極管的溫度升至高于 70°C，那么 VPTAT 電壓就會超過在 VTH 的高溫門限。LTC2996 檢測到這種溫度過高情況后，就將 OT 引腳拉低，以向溫度控制系統(tǒng)報警。當溫度降至低于 -20°C 時，通過 UT 引腳以同樣的方式溝通。請注意，只要溫度超過相應門限的時間達到 5 個連續(xù)更新間隔 (每個 3.5ms)，LTC2996 就接通開漏報警輸出。OT 和 UT 引腳具有連至 VCC 的內部 400k 弱上拉電阻器，因此在很多應用中無需外部電阻器。

LTC2996 可用來實現(xiàn)“Bang-bang”控制器，保持敏感器件 (例如電池) 的溫度處于某理想溫度范圍內，如圖 10 所示。

圖 10：“Bang-bang”控制器保持溫度在 0°C 至 100°C 之間

HIGH IF T < 0°C：如果 T < 0°C，則為高電平

HIGH IF T < 100°C：如果 T < 100°C，則為高電平

在這個應用中，欠溫輸入門限設定為 100°C，而過溫輸入門限則設定為 0°C。這種看似顛倒的安排與以下事實有關：當超過門限時，UT 和 OT 都被拉低。因此，在這個配置中，當溫度保持在想要的范圍 (高于過溫和低于欠溫) 內時，UT 和 OT 將 NMOS 晶體管的柵極拉低，而且加熱電阻器和冷卻風扇都關斷。如果溫度升至高于 100°C，那么欠溫開漏輸出 UT 就被拉高，并接通風扇。類似地，溫度低于 0°C 時，接通加熱器。

在使用電池的情況下，LTC2996 還可用來監(jiān)察由幾節(jié)不同的電池組成的大型電池之溫度。損壞、短路或破壞的電池一般會發(fā)熱，而且在最壞情況下，還可能引起火災。LTC2996 僅需要最少的額外連線，就能單獨監(jiān)察每節(jié)電池的溫度，如圖 11 所示。

圖 11：監(jiān)察電池組中電池的溫度

2.25V TO 5.5V：2.25V 至 5.5V

BATTERY SUPERVISOR：電池監(jiān)察器

LOW IF TEMPERATURE OF ANY CELL TCELL > 70oC OR TCELL < 0oC：

如果任何一節(jié)電池的 TCELL > 70oC 或 TCELL < 0oC，就拉低

事實上，如果 (電池組中) 電池是串聯(lián)連接的，那么僅需要 3 條額外的連線 (VCC、GND 和報警輸出) 就可以監(jiān)視任何一節(jié)電池的溫度是否處于所希望的工作范圍之內。如果電池是并聯(lián)連接，而且監(jiān)視的是端電壓在 2.25V 至 5.5V 之間的電池 (例如鋰離子電池)，那么甚至僅需要一條額外的連線 (報警輸出) 就足以監(jiān)察每一節(jié)電池的溫度了。

LTC2995 兼有溫度和雙路電壓監(jiān)視器 / 監(jiān)察器

除了監(jiān)視溫度，幾乎每一個電子系統(tǒng)都需要監(jiān)察多個電源電壓。為了滿足這種需求，LTC2995 整合了 LTC2996 和一個雙路電壓監(jiān)察器，從而可監(jiān)視兩條電源線的過壓和欠壓情況，如圖 12 所示。

圖 12：雙路 OV/UV ±10% 電源和 75°C/125°C OT/OT 遠端溫度監(jiān)視器

LTC2995 每通道增加了額外的高壓和低壓輸入，這兩個輸入持續(xù)與內部 500mV 基準比較。VH1 或 VH2 電壓一低于 500mV，LTC2995 就將 UV 輸出引腳拉低，以指示出現(xiàn)了欠壓情況。類似地，如果 VL1 或 VL2 上升至高于 500mV，就拉低 OV 引腳，以指示出現(xiàn)了過壓情況。

為了防止所監(jiān)視的電源電壓上的噪聲導致寄生復位，在確定 UV 或 OV 之前，LTC2995 的低通濾波器允許對比較器的輸出進行積分。比較器輸入端的任何瞬態(tài)都必須具有足夠的幅度和持續(xù)時間，比較器才能觸發(fā)輸出邏輯。此外，LTC2995 有一個可調的超時時長 (tUOTO)，在任何故障被清除之后，該超時時長可保持 UV 和 OV 處于確定狀態(tài)。這種延遲最大限度地減小了頻率高于 1/tUOTO 的輸入噪聲的影響。在 TMR 引腳和地之間連接一個電容器 CTMR，超時時長 (tUOTO) 就可調了，這樣就可以適應各種應用。[!--empirenews.page--]

LTC2995 包括溫度測量和監(jiān)視功能，這些功能提供了比 LTC2997 和 LTC2996 更大的靈活性。如果連接了外部二極管，那么 LTC2997 和 LTC2996 總是切換到外部模式，因此要測量內部二極管時，需要將 D+ 連接到 VCC，而 LTC2995 額外提供了一個二極管選擇 (DS) 引腳，允許隨時在內部和外部二極管之間切換。如果 DS 引腳處于浮置狀態(tài)，那么 LTC2995 進入“乒乓”模式，在這種模式時，該器件以大約 20ms 為一個周期，交替進行內部和外部二極管測量。

最后，利用極性選擇 (PS) 引腳，LTC2995 可以配置為兩個溫度門限均為過溫或欠溫限制。這種功能允許系統(tǒng)分級響應溫度變化。例如，用戶也許想在溫度上升至超過 75°C 時，得到一次警報 (例如接通風扇)，在溫度上升至超過 125°C 時，再得到一次警報 (例如關斷系統(tǒng))，如圖 12 所示。

結論

凌力爾特公司的準確溫度檢測器 / 監(jiān)視器新系列可以將一個內部或外部二極管用作檢測器，并產生與所測溫度成比例的模擬輸出。該系列包括纖巧的溫度檢測器以及整合的溫度與雙路電壓監(jiān)察器，可針對超出范圍的情況發(fā)出報警信號。這些器件使其以最低的復雜性構建模擬溫度控制環(huán)路或監(jiān)視溫度 (和電壓) 變得容易了。