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廉价与低功耗IC温度传感器更适应便携式设备的要求

发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:386

在便携式设计中,有多种温度探测技术可供设计者选择。热敏电阻和硅 ic 温度传感器是最常用的两种。对不同的应用,各种传感器都有自己的优势和劣势。但在便携式应用方面,ic 传感器具有一些重要的优点,例如低成本、小体积和低功耗等。

ic 传感器功耗更低
降低便携式设备功耗的一个方法是:在设计中使用 ic 温度传感器进行热管理,但这一方法还不为人们所熟知。
在所有温度传感器中,ic 传感器的线性度最好,在整个温度变化范围内,它的输出电压变化最大。虽然 ic 传感器也离不开电源,但便携式设计中所有电路都需要供电。所以,ic 传感器可以由电源供电,也可以安装在电源上(感热),就是说,可以“背”在电源上。
热敏电阻的封装形式确实比较多,从探头式到串珠式,因此,它能提供比 ic 传感器更多的封装选择。然而,ic 传感器有和热敏电阻相当的表面安装封装形式。例如,美国国家半导体的 lm20 是一个模拟输出的温度传感器,它就有 sc70 和 微型 smd 封装形式,也有无封装的裸片。

不需要为精度而牺牲功耗指标
ic 传感器的线性度是一个引人注目的特点。但是,比率偏置的热敏电阻有一个优点(见图1),即不需要在系统中设置准确或稳定的基准电压,因为基准电压引入的误差可以被抵销。
在没有比率偏置的情况下,例如 adc 的电压基准做在一片 asic 内部,而不是通过引脚从外部提供,此时采用 lm20 这样的 ic 传感器就可以实现更高的整体系统精度。
举例来说,日本村田公司的热敏电阻 nth5g10p/16p33b103f 在 25℃ 时精度为 1%,看起来它比 lm20 在 25℃ 时的 ±1.5℃ 精度要高。但对两种系统的整体精度作个分析,一种是采用热敏电阻的测量系统,另一种是使用 ic 传感器的系统。评估中使用了 8 位和 10 位 adc 来检查整体系统精度。这些精度包括:分辨误差;由 adc 自身导致的误差,如增益、偏移、非线性和补偿表精度等。
首先,必须为热敏电阻系统中使用的上拉电阻选定一个阻值。图2显示的是将两个不同阻值的上拉电阻(见图1热敏电阻电路)送入 adc 输入端的电压变化曲线。当使用 97.6kw电阻时,可以看到 adc 的输入电压随温度的升高呈对数下降。97.6kw电阻可以使功耗为最低。此时它只吸入 30ma电流,使热敏电阻在保持指定的精度时,不会超出最大功率范围。
虽然低阻值电阻可以增加热敏电阻的精确测量温度范围,但功耗却明显增加了。在本例中,使用 4.7kw上拉电阻增加了高温时曲线的斜率,因此能提供更高的精度和线性度。但是,此时热敏电阻要消耗 600ma电流,是同等条件下 ic 温度传感器的60倍,这使整个电路的功耗大幅上升,造成热敏电阻自发热。最终导致温度读数的升高,本例中大约高 0.2~0.3℃。
下面将进行整体精度的比较,一方是使用 ic 传感器的测量系统,另一方则是使用 97.6kw上拉电阻的热敏电阻系统,两者均先连接一个8位adc,然后接一个10位 adc。
整体系统精度的测量包括如下内容:adc 的量化误差,以及偏移、增益和线性误差。
在整个温度范围内,使用 lm20 的系统整体精度保持不变。因为 lm20 的输出斜率是负值,这样,随着温度的升高,基准电压引入的增益误差在整体精度中所占比例越来越小。因此,lm20 的性能曲线略向下倾斜。
在温度低于 50℃ 时,热敏电阻系统显示出良好的精度,但一旦超过 50℃,其精度以 ±20℃ 10 倍的速度下降。而 ic 传感器系统的下降则不超过 ±5℃。
图3显示了连接 10 位 adc时的精度曲线图。随着 adc 精度从 8 位提高到 10 位,由于 adc 的量化误差减小,系统的整体误差也减少了。热敏电阻从提高的精度中获益最多,因为它是比率式的,而 lm20 不是。现在对 adc 的精度提高影响最大的就是基准电压误差了。
测试使用了一个±1% 精度的基准电压。提高基准电压的精度,可以使 lm20 系统的精度接近于数据表中的规格(30℃ 时 ±1.5℃)。此外,由于 lm20 的输出斜率是负的,随着温度的升高,由基准电压引入的增益误差对整体精度的影响较小。
lm20 ic 传感器的最大供电电流只有 10ma,很适合便携式应用。但是,为了将供电电流降低到最小程度,lm20 把输出缓冲带宽做到最低。因此,如果传感器驱动一个带采样数据比较器输入的 adc(大多数 cmos asic 都是这种形式),则在采样期间,这类 adc 需要传感器提供高峰值电流。lm20 不能直接提供这种峰值输出电流,而且在采集窗口开放期间,它的输出电压不能保持稳定。因此,必须在电路中增加一个 0.1mf 的储能电容,当 adc 对模拟输入进行采样时,由这个电容提供所需电流。
这种方法减轻了对 lm20 输出级的要求,lm20 只需要在下一个采样时间到来以前,将电容充电到适当的电压。该电容的取值要凭经验来选定,因为在采样期间,不同厂家 adc 的输入级电容差别很大。
除了比其它类型传感器耗电低(相同精度下),ic 传感器还有一些其它优点。首先,它是廉价的传感器。其次,可以快速地将传感器设计到应用电路中去,因为它对外部信号

在便携式设计中,有多种温度探测技术可供设计者选择。热敏电阻和硅 ic 温度传感器是最常用的两种。对不同的应用,各种传感器都有自己的优势和劣势。但在便携式应用方面,ic 传感器具有一些重要的优点,例如低成本、小体积和低功耗等。

ic 传感器功耗更低
降低便携式设备功耗的一个方法是:在设计中使用 ic 温度传感器进行热管理,但这一方法还不为人们所熟知。
在所有温度传感器中,ic 传感器的线性度最好,在整个温度变化范围内,它的输出电压变化最大。虽然 ic 传感器也离不开电源,但便携式设计中所有电路都需要供电。所以,ic 传感器可以由电源供电,也可以安装在电源上(感热),就是说,可以“背”在电源上。
热敏电阻的封装形式确实比较多,从探头式到串珠式,因此,它能提供比 ic 传感器更多的封装选择。然而,ic 传感器有和热敏电阻相当的表面安装封装形式。例如,美国国家半导体的 lm20 是一个模拟输出的温度传感器,它就有 sc70 和 微型 smd 封装形式,也有无封装的裸片。

不需要为精度而牺牲功耗指标
ic 传感器的线性度是一个引人注目的特点。但是,比率偏置的热敏电阻有一个优点(见图1),即不需要在系统中设置准确或稳定的基准电压,因为基准电压引入的误差可以被抵销。
在没有比率偏置的情况下,例如 adc 的电压基准做在一片 asic 内部,而不是通过引脚从外部提供,此时采用 lm20 这样的 ic 传感器就可以实现更高的整体系统精度。
举例来说,日本村田公司的热敏电阻 nth5g10p/16p33b103f 在 25℃ 时精度为 1%,看起来它比 lm20 在 25℃ 时的 ±1.5℃ 精度要高。但对两种系统的整体精度作个分析,一种是采用热敏电阻的测量系统,另一种是使用 ic 传感器的系统。评估中使用了 8 位和 10 位 adc 来检查整体系统精度。这些精度包括:分辨误差;由 adc 自身导致的误差,如增益、偏移、非线性和补偿表精度等。
首先,必须为热敏电阻系统中使用的上拉电阻选定一个阻值。图2显示的是将两个不同阻值的上拉电阻(见图1热敏电阻电路)送入 adc 输入端的电压变化曲线。当使用 97.6kw电阻时,可以看到 adc 的输入电压随温度的升高呈对数下降。97.6kw电阻可以使功耗为最低。此时它只吸入 30ma电流,使热敏电阻在保持指定的精度时,不会超出最大功率范围。
虽然低阻值电阻可以增加热敏电阻的精确测量温度范围,但功耗却明显增加了。在本例中,使用 4.7kw上拉电阻增加了高温时曲线的斜率,因此能提供更高的精度和线性度。但是,此时热敏电阻要消耗 600ma电流,是同等条件下 ic 温度传感器的60倍,这使整个电路的功耗大幅上升,造成热敏电阻自发热。最终导致温度读数的升高,本例中大约高 0.2~0.3℃。
下面将进行整体精度的比较,一方是使用 ic 传感器的测量系统,另一方则是使用 97.6kw上拉电阻的热敏电阻系统,两者均先连接一个8位adc,然后接一个10位 adc。
整体系统精度的测量包括如下内容:adc 的量化误差,以及偏移、增益和线性误差。
在整个温度范围内,使用 lm20 的系统整体精度保持不变。因为 lm20 的输出斜率是负值,这样,随着温度的升高,基准电压引入的增益误差在整体精度中所占比例越来越小。因此,lm20 的性能曲线略向下倾斜。
在温度低于 50℃ 时,热敏电阻系统显示出良好的精度,但一旦超过 50℃,其精度以 ±20℃ 10 倍的速度下降。而 ic 传感器系统的下降则不超过 ±5℃。
图3显示了连接 10 位 adc时的精度曲线图。随着 adc 精度从 8 位提高到 10 位,由于 adc 的量化误差减小,系统的整体误差也减少了。热敏电阻从提高的精度中获益最多,因为它是比率式的,而 lm20 不是。现在对 adc 的精度提高影响最大的就是基准电压误差了。
测试使用了一个±1% 精度的基准电压。提高基准电压的精度,可以使 lm20 系统的精度接近于数据表中的规格(30℃ 时 ±1.5℃)。此外,由于 lm20 的输出斜率是负的,随着温度的升高,由基准电压引入的增益误差对整体精度的影响较小。
lm20 ic 传感器的最大供电电流只有 10ma,很适合便携式应用。但是,为了将供电电流降低到最小程度,lm20 把输出缓冲带宽做到最低。因此,如果传感器驱动一个带采样数据比较器输入的 adc(大多数 cmos asic 都是这种形式),则在采样期间,这类 adc 需要传感器提供高峰值电流。lm20 不能直接提供这种峰值输出电流,而且在采集窗口开放期间,它的输出电压不能保持稳定。因此,必须在电路中增加一个 0.1mf 的储能电容,当 adc 对模拟输入进行采样时,由这个电容提供所需电流。
这种方法减轻了对 lm20 输出级的要求,lm20 只需要在下一个采样时间到来以前,将电容充电到适当的电压。该电容的取值要凭经验来选定,因为在采样期间,不同厂家 adc 的输入级电容差别很大。
除了比其它类型传感器耗电低(相同精度下),ic 传感器还有一些其它优点。首先,它是廉价的传感器。其次,可以快速地将传感器设计到应用电路中去,因为它对外部信号

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