作者：Sal Afzal and Shuilin Tian

準確測量溫度的能力對于電力系統(tǒng)的可靠運行至關重要。準確的溫度數(shù)據(jù)可以揭示系統(tǒng)的瞬時運行狀況，并啟用熱關斷等實時保護功能。例如，溫度的顯著變化率可能表明功耗增加。如果實施了適當?shù)臏囟确答伝芈?，則此信息可用于在溫度上升到危險水平之前降低功耗。

也許最便宜和最普遍的溫度傳感器是二極管。硅p-n結在室溫下的正向壓降約為700mV，溫度系數(shù)為?2.2mV/C。在許多系統(tǒng)中，這種對溫度的敏感性被用作測量溫度的一種手段，只需用恒定電流偏置二極管并測量產(chǎn)生的電壓（見圖1）。

圖1.一個3.3V或更高的電阻器可提供足夠恒定的電流。

這種方法已經(jīng)獲得了廣泛的接受和普及，因為許多微處理器、FPGA、DC/DC轉換器和其他高功率器件都包括二極管結（通常以雙極晶體管的形式），用于監(jiān)測器件本身的溫度。

操作理論

二極管結的正向壓降與溫度的關系為：

(1)

我在哪里D是二極管電流，VD是二極管電壓，IS是反向飽和電流（過程相關參數(shù)），η是理想因子（通常接近1.0）。VT定義為：

其中T是以開爾文為單位的二極管結溫，k是玻爾茲曼常數(shù)，q是電子電荷。VT室溫下約為26mV，隨開爾文溫度線性變化。

我S隨溫度升高，導致 ln（ID/我S） 隨溫度下降，產(chǎn)生大約 ?2.2mV/°K 復合二極管電壓斜率。

不幸的是，這些測量的準確性在很大程度上取決于IS，因生產(chǎn)批次而異。此外，必須校準初始偏移。這種可變性使得使用單點正向電壓測量幾乎不可能獲得精確的溫度絕對值。

由于η是一個常數(shù)，因此要獲得與溫度成比例的線性電壓IS期限是唯一必須取消的期限。這可以通過測量兩個不同電流水平下的二極管電壓變化來實現(xiàn)，其中

如果

然后

如

如果我們在兩個不同的電流下進行二極管測量，比率為10，則得到的電壓為每開爾文198μV。測試電流的絕對值并不重要，重要的是兩個電流的比值決定了?VD.此技術消除了對 I 的依賴S，將理想因子作為從測量電壓產(chǎn)生溫度的唯一變量，其中理想因子本質(zhì)上是給定結型的常數(shù)，不同結類型之間的差異很小。

簡化溫度測量

雖然?VD測量溫度的方法看起來很簡單，其使用變得復雜，因為必須收集和使用許多準確的數(shù)據(jù)點進行實時計算，即：

二極管由兩個精確比例的電流驅動

必須對相應的電壓進行兩次精確測量

記錄已知的電流值和電壓結果，并計算結果溫度。

溫度監(jiān)控 IC（例如 LTC2990、LTC2991 和 LTC2997）可以解決這些復雜問題，同時使用上述差分測量技術來消除誤差并提供精度在 1°C 以內(nèi)的溫度測量值。 它們還通過取V來補償串聯(lián)電阻誤差D在多個工作電流下進行測量。它們測量遠程和環(huán)境溫度以及電壓和電流。

LTC2997 提供了一個模擬輸出，非常適合于過熱報警和測量。無需校準。比率電流和三角形電壓測量均在器件內(nèi)部進行，并在輸出端顯示電壓結果，靈敏度為4mV/°C。

與 LTC2997 一樣，LTC2990 和 LTC2991 在內(nèi)部進行所有必要的測量和溫度計算。它們分別具有四個和八個測量通道。兩款器件均具有板載ADC，可用于進行單端或差分電壓測量。它們還使用內(nèi)部二極管或使用測量通道的外部遠程二極管測量溫度。它們通過 I 傳達所有測量結果2C 接口。

處理理想因素

這三款器件均設計用于測量溫度，精度優(yōu)于1°C，使用理想因數(shù)為1.004的器件的基極發(fā)射極結，例如廣泛使用的MBBT 3904。如果目標傳感器的理想系數(shù)與1.004不同，則可以使用以下公式在軟件中進行補償

在選擇溫度傳感器時，考慮此參數(shù)非常重要，因為它可能會在絕對溫度測量中產(chǎn)生誤差。與1.004偏差±1%的理想因子將導致0°C時的誤差為2.7°C，100°C時的誤差為4°C。 但是，對于大多數(shù)交匯點，η傳感器誤差為 <1%，比設備單位間變化貢獻的誤差更小。

例如，圖 2 示出了 LTC2990 與 LTM4630 μModule 穩(wěn)壓器接口的應用，該穩(wěn)壓器具有一個帶一個內(nèi)部 PNP 二極管的 TEMP 引腳。

圖2.LTC2990 與 LTM4630 接口的框圖。

該二極管的理想因數(shù)為1.008，與1.004僅相差0.4%。因此，LTM4630 與 LTC2990 接口時的絕對溫度讀數(shù)在 1°C 的準確度以內(nèi)，直到溫度超過 250°C，這遠遠超出了兩個器件的工作范圍。

為了證明這一點，使用圖3所示的設置進行了實驗。一個 2N3904NPN 晶體管放置在非?？拷?TEMP 引腳的位置，以便測量與 LTM4630 內(nèi)部結相同的局部溫度。LTC2990 和 LTM4630 單元均放置在烤箱內(nèi)，并加熱至 15°C、25°C、40°C、60°C 和 80°C。 LTM4630 模塊已上電，但不存在負載，因此 LTM4630 的內(nèi)部溫度不會高于本地電路板溫度。溫度測量采用 LTC2990 的內(nèi)部傳感器、2N3904 和 LTM4630 TEMP 引腳進行。圖4顯示了15°C下測量數(shù)據(jù)的直方圖。

圖3.使用 2N3904 二極管測試設置。

圖4.LTC2990 內(nèi)部傳感器、一個 2N3904 二極管和 LTM4630 TEMP 引腳 （連接至內(nèi)部 PNP 二極管） 的溫度測量比較。

LTC2990 的內(nèi)部傳感器顯示烤箱的環(huán)境溫度約為 15.5°C。 由于 LTM4630 模塊已供電，其運行速度比環(huán)境溫度高幾度。因此，2N3904 和 LTM4630 的溫度讀數(shù)約為 21.6°C。 2N3904和LTM4630讀數(shù)的放大圖如圖5所示。

圖5.2N3904 和 LTM4630 的 LTC2990 溫度測量值特寫。

兩個傳感器之間的相關性很容易看出，兩個傳感器的分布中心在21.8°C左右，并且彼此相距在1°C以內(nèi)，這驗證了我們之前的說法，即由于理想因子偏差僅為0.4%，誤差在1°C以內(nèi)。無需更正η。

過采樣以獲得更好的分辨率

曲線的寬度表示ADC量化噪聲，可以通過軟件輕松濾除。雖然可以使用運行平均值進行過濾，但它要求處理器存儲所平均樣本數(shù)的數(shù)據(jù)。對于具有內(nèi)存限制的處理器，這可能不是可取的。圖6顯示了用于實現(xiàn)低通濾波器的偽代碼。

圖6.低通濾波的C偽碼實現(xiàn)。此處提供了示例代碼。

過濾是通過添加新的溫度數(shù)據(jù)，然后每次減去平均值來完成的。這種技術的優(yōu)點是不需要存儲數(shù)據(jù)的歷史。如果 N 是 2 的冪，則可以通過簡單的移位來完成除法。再次獲取讀數(shù)，圖7顯示了過濾后的數(shù)據(jù)分布。此處提供了使用 DC2026 Linduino 和 LTC2990 的代碼示例。?

圖7.2N3904 和 LT4630 之間的濾波 LTC2990 溫度測量比較。

請注意溫度峰值如何偏移0.1°C。 該誤差是由于0.4%的理想因子誤差造成的。如果我們使用公式2補償理想因子，兩個峰會很好地對齊，如圖8所示。補償確保具有不同η值的傳感器在相同條件下可以產(chǎn)生相同的絕對溫度。

圖8.2N3904 和軟件校準的 LTM4630 之間的 LTC2990 溫度測量比較。

總結

我們的溫度監(jiān)測器使溫度測量變得簡單方便。測量與反向飽和電流和串聯(lián)電阻無關。與具有不同理想因數(shù)的器件接口時引入的誤差雖然通?？梢院雎圆挥嫞梢跃_校準，從而允許使用帶有各種二極管溫度傳感器的溫度監(jiān)視器。

審核編輯：郭婷