TMP275數(shù)字溫度傳感器：特性、應用與設計要點

在電子設備的設計中，溫度監(jiān)測是一個至關重要的環(huán)節(jié)。準確的溫度測量不僅能確保設備的穩(wěn)定運行，還能為系統(tǒng)的性能優(yōu)化提供關鍵數(shù)據(jù)。今天，我們就來深入了解一款高性能的數(shù)字溫度傳感器——TMP275。

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一、TMP275概述

TMP275是德州儀器（TI）推出的一款集成數(shù)字溫度傳感器，具有高精度、低功耗等特點。它采用12位模數(shù)轉換器（ADC），能在低至2.7V的電源電壓下工作，并且在引腳和寄存器方面與TI的LM75、TMP75、TMP75B和TMP175等設備兼容。該傳感器有SOIC - 8和VSSOP - 8兩種封裝形式，無需外部組件即可實現(xiàn)溫度傳感。

二、主要特性

（一）高精度測量

• 在 - 20°C至100°C溫度范圍內，最大誤差為±0.5°C；在 - 40°C至125°C范圍內，最大誤差為±1°C。這種高精度的測量能力使其適用于對溫度精度要求較高的應用場景。

  （二）低靜態(tài)電流

• 典型靜態(tài)電流為50μA，待機電流低至0.1μA。低功耗特性有助于延長設備的電池續(xù)航時間，尤其適用于對功耗敏感的應用。

  （三）可選擇分辨率

• 分辨率可在9至12位之間進行用戶選擇，最大分辨率可達0.0625°C（12位），最低為0.5°C（9位）。用戶可以根據(jù)實際需求靈活調整分辨率，以平衡測量精度和轉換時間。

  （四）接口兼容性

• 支持SMBus?、兩線和I2C接口，并且提供8個I2C/SMBus地址，方便多個設備在同一總線上連接。

  （五）寬電源范圍

• 電源電壓范圍為2.7V至5.5V，能適應不同的電源環(huán)境。

  （六）小封裝形式

• 采用小型的VSSOP - 8和SOIC - 8封裝，節(jié)省電路板空間。

三、應用領域

（一）電源溫度監(jiān)測

• 實時監(jiān)測電源的溫度，防止因溫度過高導致電源故障，保障電源的穩(wěn)定運行。

  （二）計算機外設熱保護

• 為計算機外設提供熱保護，避免因過熱損壞設備，延長設備的使用壽命。

  （三）電池管理

• 在電池管理系統(tǒng)中，準確測量電池溫度，有助于優(yōu)化電池的充電和放電過程，提高電池的安全性和性能。

  （四）辦公設備

• 用于辦公設備的溫度監(jiān)測，確保設備在適宜的溫度環(huán)境下工作，提高設備的可靠性。

  （五）服務器

• 服務器運行時會產(chǎn)生大量熱量，TMP275可實時監(jiān)測服務器的溫度，及時采取散熱措施，保證服務器的穩(wěn)定運行。

  （六）恒溫控制

• 在恒溫控制系統(tǒng)中，提供精確的溫度數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對溫度的精準控制。

  （七）環(huán)境監(jiān)測與HVAC

• 用于環(huán)境溫度監(jiān)測和暖通空調（HVAC）系統(tǒng)，為環(huán)境調節(jié)提供準確的溫度信息。

  （八）機電設備溫度數(shù)據(jù)記錄

• 記錄機電設備的溫度變化，為設備的維護和故障診斷提供數(shù)據(jù)支持。

四、詳細技術分析

（一）引腳配置與功能

TMP275的引腳配置清晰，各引腳功能明確。例如，SDA和SCL為串行數(shù)據(jù)和時鐘線，采用開漏輸出，需要上拉電阻；ALERT為過溫警報輸出；A0、A1、A2為地址選擇引腳，可通過連接GND或V + 來配置不同的地址；V + 為電源引腳，范圍為2.7V至5.5V；GND為接地引腳。

（二）規(guī)格參數(shù)

1. 絕對最大額定值：包括電源電壓、輸入電壓、輸入電流、工作溫度、結溫、存儲溫度等參數(shù)，使用時需確保不超過這些額定值，以免損壞設備。
2. ESD額定值：具有一定的靜電放電保護能力，人體模型（HBM）為±4000V，充電設備模型（CDM）為±1000V，機器模型（MM）為±300V。
3. 推薦工作條件：電源電壓范圍為2.7V至5.5V，工作溫度范圍為 - 40°C至125°C。
4. 熱信息：提供了結到環(huán)境、結到外殼、結到電路板等熱阻參數(shù)，有助于進行熱設計。
5. 電氣特性：涵蓋溫度輸入范圍、精度、分辨率、重復性、長期漂移等參數(shù)，以及數(shù)字輸入輸出特性、電源特性等。
6. 時序要求：規(guī)定了SCL時鐘頻率、總線空閑時間、數(shù)據(jù)保持時間等時序參數(shù)，確保通信的穩(wěn)定性。
7. 典型特性：給出了靜態(tài)電流、關斷電流、轉換時間、溫度誤差等與溫度的關系曲線，為設計提供參考。

（三）功能模塊

1. 數(shù)字溫度輸出：溫度寄存器為12位只讀寄存器，存儲最近一次轉換的輸出。用戶可通過配置寄存器設置分辨率，獲取9、10、11或12位的溫度數(shù)據(jù)。
2. 串行接口：作為從設備在SMBus、兩線和I2C接口兼容總線上工作，支持快速（最高400kHz）和高速（最高2.38MHz）模式，數(shù)據(jù)傳輸采用MSB優(yōu)先。
3. 總線概述：通信由主設備發(fā)起，主設備生成串行時鐘、控制總線訪問并產(chǎn)生START和STOP條件。通過START條件發(fā)起通信，從設備響應并進行數(shù)據(jù)傳輸，最后由主設備產(chǎn)生STOP條件結束通信。
4. 串行總線地址：TMP275有三個地址引腳，允許每條總線連接最多八個設備。通過設置地址引腳的邏輯電平，可以配置不同的從地址。
5. 讀寫操作：通過向指針寄存器寫入相應值來訪問特定寄存器。讀取時，使用上次寫入指針寄存器的值確定要讀取的寄存器。
6. 從模式操作：包括從接收模式和從發(fā)送模式。在從接收模式下，主設備發(fā)送從地址和指針寄存器值，然后寫入數(shù)據(jù)；在從發(fā)送模式下，主設備發(fā)送從地址，從設備發(fā)送寄存器數(shù)據(jù)。
7. SMBus警報功能：當TMP275工作在中斷模式時，ALERT引腳可作為SMBus警報信號。主設備檢測到警報條件后，發(fā)送SMBus警報命令，TMP275響應并返回從地址，通過地址的LSB指示溫度是超過 (T{HIGH}) 還是低于 (T{LOW}) 。
8. 通用調用：TMP275響應兩線通用調用地址（0000000），根據(jù)第二字節(jié)的命令進行相應操作，如鎖存地址引腳狀態(tài)或復位內部寄存器。
9. 高速模式：主設備發(fā)送Hs - 模式主代碼（00001XXX）可將總線切換到高速模式，允許最高2.38MHz的傳輸速度。
10. 超時功能：如果SCL或SDA在START和STOP條件之間被拉低超過54ms（典型值），TMP275會重置串行接口，因此需要保持SCL工作頻率至少為1kHz以避免觸發(fā)超時功能。

（四）設備功能模式

1. 關斷模式（SD）：將SD位設置為1可進入關斷模式，此時除串行接口外的所有設備電路關閉，電流消耗典型值小于0.1μA。SD位為0時，設備保持連續(xù)轉換狀態(tài)。
2. 恒溫器模式（TM）：TM位決定設備工作在比較器模式（TM = 0）還是中斷模式（TM = 1）。在比較器模式下，ALERT引腳在溫度達到或超過 (T{HIGH}) 時激活，直到溫度低于 (T{LOW}) 才恢復；在中斷模式下，ALERT引腳在溫度超過 (T{HIGH}) 或低于 (T{LOW}) 時激活，主機控制器讀取溫度寄存器后清除。
3. 單次測量模式（OS）：在關斷模式下，向OS位寫入‘1’可啟動單次溫度轉換，轉換完成后設備返回關斷狀態(tài)，適用于不需要連續(xù)溫度監(jiān)測的場景。

（五）編程

1. 指針寄存器：8位指針寄存器用于尋址數(shù)據(jù)寄存器，通過P1和P0兩位確定要訪問的寄存器，如溫度寄存器、配置寄存器、 (T{LOW}) 寄存器和 (T{HIGH}) 寄存器。
2. 溫度寄存器：12位只讀寄存器，存儲最近一次轉換的溫度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式為二進制，可根據(jù)需要讀取兩個字節(jié)。
3. 配置寄存器：8位讀寫寄存器，用于控制溫度傳感器的工作模式，包括OS、R1、R0、F1、F0、POL、TM和SD位，分別控制單次測量、分辨率、故障隊列、極性、恒溫器模式和關斷模式。
4. 高、低限寄存器： (T{HIGH}) 和 (T{LOW}) 寄存器用于設置溫度的上下限，在比較器模式和中斷模式下，ALERT引腳根據(jù)溫度與上下限的比較結果進行相應操作。

五、應用與實現(xiàn)

（一）典型連接

TMP275的典型連接需要在SCL、SDA和ALERT引腳添加5kΩ上拉電阻，同時推薦使用0.1μF旁路電容。ALERT引腳可配置為比較器模式或中斷模式，通過連接A0、A1、A2引腳到GND或V + 可配置不同的地址。

（二）詳細設計步驟

將TMP275放置在靠近熱源的位置，確保良好的熱耦合。對于需要測量空氣或表面溫度的應用，要注意隔離封裝和引腳與環(huán)境空氣溫度的影響，可使用導熱膠實現(xiàn)準確的表面溫度測量。

（三）應用曲線

TMP275對溫度變化的響應具有一定的時間常數(shù)，例如在從室溫（27°C）浸入100°C油浴的測試中，輸出達到輸入階躍的63%所需時間為1.5s，該時間常數(shù)與PCB的設計有關。

（四）多設備連接

TMP275的三個地址引腳允許每條總線連接最多八個設備。在中斷模式下，ALERT引腳可作為SMBus警報信號。當主設備檢測到警報條件時，發(fā)送SMBus警報命令，多個設備響應時通過仲裁確定哪個設備清除警報狀態(tài)。

（五）溫度數(shù)據(jù)記錄器應用

在冷鏈管理應用中，TMP275可用于測量溫度并將數(shù)據(jù)記錄到MCU的非易失性（FRAM）存儲器中。通過NFC接口實現(xiàn)無線通信，使用CR2032硬幣電池供電，以低功耗為設計目標，延長電池壽命。

六、電源與布局建議

（一）電源建議

TMP275的電源電壓范圍為2.7V至5.5V，需要使用電源旁路電容來保證穩(wěn)定性，典型值為0.01μF。對于噪聲較大或高阻抗的電源，可能需要額外的去耦電容來抑制電源噪聲。

（二）布局指南

將TMP275安裝在PCB上，A0、A1、A2地址引腳可直接連接到地，配置為從地址1001000b。使用低ESR陶瓷旁路電容對 (V{S}) 引腳進行旁路，最佳放置位置是靠近設備的 (V{S}) 和GND引腳。同時，通過5kΩ上拉電阻上拉SDA、SCL和ALERT引腳。

七、總結

TMP275作為一款高性能的數(shù)字溫度傳感器，憑借其高精度、低功耗、接口兼容性等優(yōu)點，在多個領域都有廣泛的應用前景。電子工程師在設計過程中，需要根據(jù)具體的應用需求，合理配置TMP275的功能模式和參數(shù)，同時注意電源和布局設計，以確保傳感器的性能和穩(wěn)定性。你在使用TMP275的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。