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(guān)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(gòu)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(fēng)扇、或安靜但昂貴的風(fēng)扇) 會給組件排列緊密的電子產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(nèi)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(nèi)，其測量誤差保證為 ±1°C，在 -40°C 至 125°C 的溫度范圍內(nèi)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(nèi)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(chǎn)生一個與 IS 無關(guān)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(dǎo)致了正的溫度誤差。復(fù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dāng) LTC2997 整個置于冰水中之后立即浸入沸水中，該器件內(nèi)部檢測器的階躍響應(yīng)。

圖 4：LTC2997 內(nèi)部檢測器的熱階躍響應(yīng)

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(dāng)應(yīng)用于溫度調(diào)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(yīng)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(fù)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(yīng)用中，基準電壓 (通過一個電阻分壓器) 用來產(chǎn)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(shè)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(zhuǎn)換為脈沖寬度調(diào)制信號，該信號再驅(qū)動 PMOS 開關(guān)，控制通過加熱電阻器的電流。

LTC2997 還可用來構(gòu)成攝氏溫度計 (圖 6)、華氏溫度計 (圖 7)、具備冷結(jié)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(yīng)用。

圖 6：攝氏溫度計

圖 7：華氏溫度計

圖 8：具備冷結(jié)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(chǔ)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(nèi)置基準電壓的電阻分壓器設(shè)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(dāng)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(yīng)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(nèi)部 400k 弱上拉電阻器，因此在很多應(yīng)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(nèi)，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(yīng)用中，欠溫輸入門限設(shè)定為 100°C，而過溫輸入門限則設(shè)定為 0°C。這種看似顛倒的安排與以下事實有關(guān)：當(dāng)超過門限時，UT 和 OT 都被拉低。因此，在這個配置中，當(dāng)溫度保持在想要的范圍 (高于過溫和低于欠溫) 內(nèi)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(fēng)扇都關(guān)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(fēng)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(zāi)。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(nèi)。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(nèi)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(dǎo)致寄生復(fù)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(diào)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(diào)了，這樣就可以適應(yīng)各種應(yīng)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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(yīng)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(fēng)扇)，在溫度上升至超過 125°C 時，再得到一次警報 (例如關(guān)斷系統(tǒng))，如圖 12 所示。

結(jié)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(nèi)部或外部二極管用作檢測器，并產(chǎn)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(fù)雜性構(gòu)建模擬溫度控制環(huán)路或監(jiān)視溫度 (和電壓) 變得容易了。