如何使用Silego GreenPAK構(gòu)建溫度傳感系統(tǒng)

在這個項目中，我們將測試如何使用 Silego GreenPAK 構(gòu)建溫度傳感系統(tǒng)。

本實驗的目的是測試 GreenPAK 器件在溫度傳感應(yīng)用中的可用性，特別是對于溫度域為 25°C 至 100°C 的 CPU 處理器。 溫度傳感系統(tǒng)使用遠程溫度傳感器 2N3904（二極管連接）和在 GreenPAK 器件中實現(xiàn)的控制邏輯。目標是使用 SLG46537 芯片實現(xiàn) +/- 1°C 的內(nèi)部溫度精度。

圖 1.

實現(xiàn)雙電流法的溫度傳感器應(yīng)用電路

理論

兩流法

雙電流法是一種使用兩個電流源、一個二極管、電容器和 FET 開關(guān)的電壓減法方法（參見圖 1）。它旨在放大由兩個不同電流 I_L 和 I_H 引起的二極管上的電壓差。

二極管的正向電壓根據(jù)二極管兩端的電流感應(yīng)電場而變化。通過在兩個已知電流下減去正向電壓，我們可以消除常見變量，例如偏移和飽和電流。 二極管的正向偏置電流 I D與飽和電流 I s和正向電壓 V D相關(guān)，公式如下：

I D = I s e V D /ηV T

其中η是二極管的理想因子，V T = kT/q。k是玻爾茲曼常數(shù)，q是電子電荷常數(shù)。對于此示例，I_H 將是偏置電流 I 1，而 I_L 將是偏置電流 I 2。因此，它們的正向偏置電流方程分別為：

I 1 = I s e V 1 /ηV TI 2 = I s e V 2 /ηV T

通過劃分兩個正向偏置電流方程，我們消除了飽和電流并將輸入電流變量減少到一個標量因子N。

I 1 ? I 2 = N = e (V 1 -V 2 )/ηV T

如果 N 已知，則通過測量 V1 和 V2 之間的差異，我們可以計算溫度T。

ln(N) = (V 1 -V 2 )q/(ηkT)

T = (V 1 -V 2 )q/(ηkln(N))

理想因子η

雖然k和q是常數(shù)并且不會因部件而異，但理想因子η確實在值 1 和 2 之間變化。該值越接近 1，載流子擴散的主導(dǎo)地位就越大。該值越接近 2，重組越多。該值越高，溫度測量的錯誤越多，因為溫度會高度影響復(fù)合而不是擴散。[1]

在選擇遠程溫度二極管時，遠程二極管連接的晶體管（基極-集電極結(jié)被短路的 BJT）比整流二極管更好，因為它們的理想值是指定的。 幾乎所有 BJT 晶體管的理想因子都接近 1。

其他重要參數(shù)包括正向電流增益β和串聯(lián)電阻R s。正向電流增益隨溫度和集電極電流而變化，串聯(lián)電阻在所有溫度下呈現(xiàn)恒定偏移。建議選擇β在兩個電流 I_H 和 I_L 之間變化的器件。

實驗電路

實驗的目的是通過測試幾個點來測量一般的溫度偏差：40°C、60°C 和 80°C。

圖 2 顯示了實驗中使用的應(yīng)用電路的框圖。

圖 2.

溫度檢測應(yīng)用電路的 GPAK 框圖

電阻器 R3 和 R4 提供圖 1 中的電流 I_H 和 I_L。開關(guān) NMOS 和 PMOS 位于 GreenPAK 內(nèi)部（PIN 13 和 PIN 15）。內(nèi)部 GreenPAK 設(shè)計如圖 3 所示，該傳感器的更新時間為 10ms。

圖 3.

內(nèi)部 GPAK 設(shè)計

當(dāng) NMOS 拉低且 PMOS 懸空時，電容 C4 由 I_L 充電。當(dāng) PMOS 拉高且 NMOS 懸空時，C4 以 I_H 充電。系統(tǒng)的控制邏輯經(jīng)過編程以提供死區(qū)時間（在 NMOS 和 PMOS 導(dǎo)通時間之間），以獲得 C4 上的電壓差。

這種差異進入運算放大器（Silego 的SLG88103）的 IN+ 輸入。C4 兩端的電壓波形如圖 4 所示。

圖 4.

C4 兩端的電壓波形

GPAK 器件的引腳 7 連接到具有可變電阻的分壓器（微調(diào)電位器），用于調(diào)整內(nèi)部 GPAK 設(shè)計中模擬比較器 ACMP0 的開關(guān)電壓。開關(guān)電壓是 PIN 7 上的電壓達到 PIN 6 上的電壓（運算放大器輸出電壓）的時刻。運算放大器的輸出電壓（以及因此 ACMP0 的開關(guān)電壓）在不同的溫度下是不同的。

因此，在實驗中，調(diào)整 P1 的電阻，直到發(fā)生切換時刻。根據(jù)測量的電位器 P1 的電阻，可以計算出 ACMP0 的開關(guān)電壓 (Vref)。

結(jié)果

GPAK 引起的誤差（溫度測量精度）是通過測試多個設(shè)備（三??個 GPAK 設(shè)備）的輸出來測量的。 僅具有一種不同組件（GPAK5 器件）的三個傳感器電路的測試結(jié)果記錄在表 1、2 和 3 中，其中：

烤箱內(nèi)的溫度是用熱電偶測量的。

P1 的電阻是用 Fluke 萬用表測量的。

Vref 值是根據(jù) P1 的電阻值計算得出的。

表 1. GPAK5_1

表 2. GPAK5_2

表 3. GPAK5_3

用圖 2 中的圖表進一步總結(jié)了結(jié)果。

圖 2.

基于使用不同 GPAK 設(shè)備的三個傳感器的測量結(jié)果的圖表

圖 2 顯示傳感器 2 和 3 給出了重疊的線性圖，而傳感器 1 給出了非常接近傳感器 1 呈現(xiàn)的線性趨勢線的線。

傳感器 2 和 3 的曲線斜率以及傳感器 1 的趨勢線為 1.7mV/1°C（在 T=40°C 和 T=80°C 之間）。 三個 GPAK 器件的測量值之間的最大差異為 2mV。這意味著 GPAK 引入了大約 1°C 的部件間誤差。

錯誤源

模擬比較器

GreenPAK 設(shè)計表明，部件間的差異最有可能發(fā)生在模擬比較器組件 (ACMP0) 上。此應(yīng)用程序設(shè)計中的ACMP0 設(shè)置如下：

IN+ 源：pin6

IN-：分機。參考電壓 (pin7)

IN+增益=1

滯后：禁用。

ACMP 的失調(diào)電壓（以及開關(guān)電壓）隨溫度和電源電壓而變化。 實驗的結(jié)論是基于對三個 GPAK 樣本的測量——對于統(tǒng)計分析來說太少了。

作為典型表示，我們可以使用 Silego 的 ACMP Offset Voltage char 數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)基于一組 35 個在溫度和電壓下測試的組件。在室溫下測量的 Ext.Vref=600mV 和 5V 電源電壓的組件 ACMP 偏移結(jié)果如表 4 所示。

表 4

表 4.

Ext.Vref=600mV_AutoPWR、35 個組件、室溫的 ACMP 偏移測試

Silego 的 Voffset 計算基于以下等式：

V偏移= 最大值 (|V ref,Ext -V ih | , |V ref,Ext -V il |)數(shù)據(jù)精度 +/- 0.2mV

基于 35 個組件的測試結(jié)果表明，ACMP 偏移可高達 4.366 mV，這可能會引入高達 2.5°C 的誤差。

2N3904 組件

影響溫度測量精度（遠程精度）的晶體管參數(shù)是正向電流增益β (I) 和串聯(lián)電阻R s。根據(jù) 2N3904 的 Microchip 實驗室數(shù)據(jù)，這些參數(shù)對整個傳感器源電流范圍 (4.5-920uA) 內(nèi)的溫度測量精度影響很小。[1]

圖 3 顯示了 Microchip 測試的晶體管的典型 β 值，可以作為有限數(shù)量的 2N3904 晶體管的典型表示。[1] 公式 3 給出了溫度誤差，這是由于 80 °C 時 0.02°C 左右的所示 β 變化。 類似地，使用 Microchip 的 2N3904 組（約 0.7 歐姆）的R s數(shù)據(jù)和公式 4 會產(chǎn)生溫度誤差，因為 Rs 約為 0.8°C。[1]

圖 3.

23°C 時 2N3904 晶體管的典型 beta 值（Microchip 實驗室數(shù)據(jù)）

運算放大器的考慮

SLG88103 電壓偏移通常為 0.35mV（對于接近 VSS（接地）的 VCM，最高為 2.4mV），再加上通常為 0.16mV (T=80°C) 以增加偏移隨溫度的漂移。典型值會引入來自此應(yīng)用的運算放大器的小誤差。然而，考慮到最大偏移值，SLG88103 運算放大器可能會引入超過 1°C 的誤差。

結(jié)論

實驗中使用的溫度傳感系統(tǒng)的輸出增益為 1.7 (mV/°C)。

基于三個 GreenPAK 器件樣本的測試結(jié)果表明，僅在溫度傳感系統(tǒng)中實施 GreenPAK 會引入大約 1°C 的誤差。

傳感器的主要特性基于實驗結(jié)果，其中溫度域適用于遠程傳感器，而帶有 GreenPAK 的內(nèi)部溫度系統(tǒng)在實驗期間保持在室溫下。要查看此項目的應(yīng)用說明和設(shè)計文件，請單擊此處。

GreenPAK 主要特點

溫度域 (25°C - 100°C)

準確性

±1°C 遠程溫度精度（2N3904 傳感器的精度）

±1.5°C 內(nèi)部溫度精度

1.7V-5.5V 電源電壓

10ms 更新時間

1.7 (mV/°C) 輸出增益

29μA 靜態(tài)電流