廉价与低功耗IC温度传感器更适应便携式设备的要求

出处:guobg 发布于:2007-04-28 11:08:02

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,在整个温度变化范围内,它的输出电压变化。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。
举例来说,日本村田公司的热敏电阻 NTH5G10P/16P33B103F 在 25℃ 时为 1%,看起来它比 LM20 在 25℃ 时的 ±1.5℃ 要高。但对两种系统的整体作个分析,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。这些包括: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。此时它只吸入 30mA电流,使热敏电阻在保持指定的时,不会超出功率范围。
虽然低阻值电阻可以增加热敏电阻的测量温度范围,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。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,但一旦超过 50℃,其以 ±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时的曲线图。随着 ADC 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。热敏电阻从提高的中获益多,因为它是比率式的,而 LM20 不是。现在对 ADC 的提高影响的就是基准电压误差了。
测试使用了一个±1% 的基准电压。提高基准电压的,可以使 LM20 系统的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的影响较小。
LM20 IC 传感器的供电电流只有 10mA,很适合便携式应用。但是,为了将供电电流降低到程度,LM20 把输出缓冲带宽做到。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,因为它对外部信号调节电路的要求,甚至可以不用。
因此,当考虑到便携式设备的电池寿命,设计上要求低电流,空间又相当紧张时,就应该采用 IC 温度传感器。如果加上系统成本这个重要因素,IC 传感器就更是必然的选择了。■


  

关键词:IC传感器

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