全面了解数字温度传感器规范

1万 · 2013-9-29 18:32

为了实现最佳性能并确保系统稳健性，就必须要进行系统监控测量。其中一个必须的典型测量项目就是环境温度。使用简单的数字温度传感器进行该测量将为系统设计人员提供如下保证：组件正常工作；系统处于其性能或校准限值范围内；不会使用户遇到危险。
测量结束后，通常由系统中的微控制器对环境温度进行相应调整。系统监控微控制器可以改变风扇速度、关闭非必要系统进程或使系统智能进入省电模式。系统设计人员需全面正确地了解数字温度传感器规范以设计系统，并就测量结果采取最佳措施。另外，全面了解传感器规范将确保在选择数字温度传感器器件时，可做到权衡得当。
当选择数字温度传感器（也称作串行输出温度传感器）时，应考虑的主要规范包括精度、分辨率、功耗、接口和封装。

图 1 数字温度传感器总体结构图
精度
数字温度传感器精度表示传感器读数和系统实际温度之间的误差。在产品说明书中，精度指标和温度范围相对应。通常针对不同温度范围，有数个最高精度指标。对于 –25C～100C 温度范围来说，2C 精度是很常见的。Analog Device 公司的 ADT75、Maxim 公司的 DS75、National 公司的 LM75 以及 TI 的TMP75 均具有这种精度节点。但是，还有更高精度的器件。例如，TI 的TMP275 在 20C～100C 温度范围内的精度为 0.5C。

图 2 TMP275 温度误差与温度对应关系的典型性能曲线图
虽然温度精度指标是非常重要的，然而对系统监控应用来说，它并非一定是最为关键的因素。这些应用更重视检测温度变化，而不是确定温度绝对值。
分辨率
数字温度传感器分辨率是描述传感器可检测温度变化细微程度的指标。集成于封装芯片的温度传感器本身就是一种模拟传感器。因此所有数字温度传感器均有一个模数转换器 (ADC)。ADC 分辨率将决定器件的总体分辨率。分辨率越高，可检测到的温度变化就越细微。
在产品说明书中，分辨率是采用位数和摄氏温度值来表示的。当采用位数来考虑分辨率时，必须多加注意，因为该值可能包括符号位，也可能不包括符号位。此外，该器件的内部电路可能以不同于传感器总体温度范围的值，来确定内部 ADC 的满量程范围。以摄氏度 (C) 来表示的分辨率是一种更直接分辨率值，采用该数值可进行设计分析。
现有器件的分辨率从 1C 到 0.03125C 不等。National 公司的 LM75 通常是一种 9 位温度传感器。关于前一点，LM75 的全工作范围是 –55C～125C。因此您可能希望分辨率是 125– (–55)/2^9 或 0.352C。实际上，该分辨率被规定为 0.5C。TI 的TMP102 通常是 12 位器件，其分辨率为 0.0625C。即使环境温度发生微小变化其也会提醒微控制器采取相应的措施。
功耗
大多数系统设计人员都非常关心系统的总功耗，电池供电系统尤为如此。对于这些应用领域使用的数字温度传感器来说，规定功耗必须在整个系统功率预算以下。现在市场上的许多数字温度传感器处于工作状态时，仅消耗微安电流。市场上还有一些具有断电引脚或断电寄存器功能的其他器件。它们在断电状态下的耗电可能远不到一毫安。因为系统监控活动通常是非连续的，因此设计人员可充分利用“单触发”模式的优势（该模式也是一些数字温度传感器的功能之一）。在“单触发”模式中，该器件的上电时间刚好完成测量，接着随即恢复断电模式。利用这种功能，时间平均耗电量可降至最低。
National 公司的 LM70 数字温度传感器就是一款采用断电寄存器的中等低功耗器件。运行状态下的最大静态电流指标是 490A。但当该器件进入关机模式时，电流消耗通常降至 12A。TI 的 TMP102 采用了“单触发”模式，因此设计人员可轻松地使该器件处于断电状态，其电流消耗通常低于 1A。即使处于工作状态时，该器件也仅消耗 10A 静态电流。
考虑系统功耗时，另一个因素是数字温度传感器的电源电压要求。大多数温度传感器的性能指标要求的供电电压范围为 2.7V～5.5V。有几款器件（如 Maxim 公司的 DS75LX）则专门适于低电压应用。其规范要求的电压范围是 1.7V～3.7V。TMP102的性能要求电压可低至 1.4V。
接口
大多数数字温度传感器都具有下列两种接口中的一种：I2C 或 SPI。I2C 接口是一种两线总线，可用于与监控器件进行通信的多种系统。它通常以 400kbps 的速度运行，但如果采用有源终端电路，则可以 3.4Mbps 的速度运行。该总线要求单线具有上拉电阻，这使材料清单成本增加很小。利用温度传感器器件上的引脚可将多个传感器装在同一条总线上。一些器件可在出厂时拥有不同的地址，便于通过一台 I2C 主控制器来控制数个相同的器件。当需要在系统内若干个点进行温度测量时，其作用就显现出来了。
SPI 是一种三线或四线接口，具体情况视器件间需要单向通信还是双向通信而定。SPI 不支持器件寻址，因此系统内的每个器件都必须拥有与之相连的专门数字线路。来自主系统的这条专线路被称作芯片选择、芯片使能或从属选择，它支持主系统与每个器件进行单独通信。
市场上现有的几款数字温度传感器采用单线接口。这种由 Maxim 公司最早推出的接口通常被称作“单线”接口。器件、温度传感器等使用局限性限制了这种接口的应用。Maxim 公司的 DS18B20 就是一款利用“单线”接口的典型数字温度传感器。
封装
数字温度传感器厂商提供了多种封装选择，以方便系统设计人员可随时找到适于其系统空间限制的封装。现有封装类型从 8 引脚 SOIC 到芯片级封装 (CSP)。当尺寸限制不是系统设计的主要因素时，较大封装当然是合适的。CSP 更适于空间有限的应用（如手机），但在生产方面可能存在困难。新上市的器件为采用 SOT563 封装的器件系列（如 TMP102）。它们在实际尺寸方面和 CSP 相似，甚至高度或 Z 尺寸方面也很相似。但因其是封装的有引线器件，因此它们在生产环境中更稳健。
结论
在规定限值内运行单个组件是先进系统设计的部分要求。要使高度集成的先进系统始终保持最佳运行需要进行系统监控。具体来说，监控并维持最佳系统温度将决定系统是否能保持稳定。系统临界温度测量首先从选择正确的数字温度传感器开始。只要从精度、分辨率、功耗、接口和封装要求考虑，大多数应用均可找到合适的数字温度传感器。