MCU内部温度传感器的关键特性及应用事项

只看该作者 · 2023-10-15 17:53

大多数32位MCU都有一项非常实用的功能——内部集成了一个温度传感器，这个温度传感器产生一个随温度线性变化的电压VTS。

因为是内置, 测试的当然是芯片内部温度, 这对控制芯片发热和保障MCU健康运行非常重要。对于一些恶劣的应用环境，可以通过检测芯片内部而感知设备的工作环境温度, 如果温度过高或者过低，就触发进入睡眠状态或者停止运转，以提高设备运行的可靠性。

图1. AT32单片机芯片内含温度传感器

如果芯片外接负载不变，那么芯片的发热也基本稳定，相对于外界的温度而言，温度变化值也是基本稳定的。就是说，也可以用MCU芯片的内置传感器来测量外界环境的温度。以下以AT32 MCU为例，说明内置温度传感器应用和评估测试方法，并提供测试数据供使用者设计参考。

内部传感器特性

AT32单片机芯片内含温度传感器，它产生一个随温度线性变化的电压，在内部被连接到ADC1_IN16的输入通道上，用于将传感器的输出转换到数字数值。

图2. AT32 MCU的温度传感器特性

以AT32F413为例，只要遵守以下公式，即可求得目前温度传感器量测出的温度：

温度(°C) = {(V25 - VSENSE) / Avg_Slope} + 25

这里：V25 = VSENSE在25 °C时的数值，Avg_Slope ＝温度与VSENSE曲线的平均斜率（单位为mV/°C），VSENSE为温度传感器经由ADC转换出的电压换算成mV，再依照上述公式，只要将V25带入典型值1280mV，Avg_Slope带入-4.20mV/°C即可求得。

图3为套用典型值计算出的温度与传感器输出电压（VSENSE）的特性曲线。

图3. VSENSE对温度理想曲线图

应用此温度传感器需注意因生产过程的变化，每个芯片的温度传感器V25具有相对大的偏移，若以Avg_Slope典型值来换算相当于47.6°C，最小值与最大值一般会有最多200mV的误差。因此，内部温度传感器更适合于检测温度的变化，而不是测量绝对的温度。

内部温度传感器的使用

AT32芯片的温度传感器在内部被连接到ADC1_IN16的输入通道上，用于将传感器的输出转换到数字数值。这个数值为温度的变化数，而非绝对温度。

AT32芯片温度传感器为内部弱电压源，ADC进行采样时需要足够时间让VSENSE输出为采样电路达到充放电平衡而稳定，使用者需确实遵照数据手册中的TS_TEMP参数为内部温度传感器设置足够的采样时间，以获得正确的转换数值。

在3.6V、3.3V和2.6V操作电压下，不同AT32温度传感器的Avg_Slope在各电压条件下几乎一致。但细部分析，就发现各芯片V25参数之间具有相对较大的差异，这是造成AT32温度传感器量测与实际温度徧差的主要原因。若以软件校正偏移量（offset）后或仅作为相对温度量测时，在芯片全温度-40到105°C操作范围内，温度误差（线性度）可以达到±2°C之内。

但若未做偏移校正或用以量测绝对温度，因温度传感器本身架构于芯片生产过程的变化，温度变化曲线的偏移在不同芯片上会有明显差异。因此，建议AT32芯片内部温度传感器仅用作检测温度的变化，而不是测量绝对的温度。如果需要测量精确的温度值，应该使用一个外置的温度传感器。