使用MAX1298/MAX1299溫度傳感器實(shí)現(xiàn)高精度

文章討論了如何實(shí)現(xiàn)最佳的溫度傳感器精度。它討論了兩個(gè)物體之間的熱流源和速率，然后解釋和計(jì)算了溫度誤差的來(lái)源。最后，它提出了減少熱誤差和優(yōu)化溫度測(cè)量的設(shè)計(jì)理念。MAX1298/MAX1299 ADC內(nèi)置溫度傳感器。

MAX1298/MAX1299模數(shù)轉(zhuǎn)換器帶有內(nèi)部溫度傳感器，在擴(kuò)展溫度范圍內(nèi)（-1°C至40°C）具有保證±85°C的精度，是業(yè)界任何器件在該范圍內(nèi)最佳的溫度傳感器精度。本文解釋了如何在使用熱和機(jī)械系統(tǒng)的情況下實(shí)際達(dá)到這種精度水平。

MAX1298/MAX1299的典型內(nèi)部溫度誤差與溫度的關(guān)系如圖1所示。要達(dá)到這種精度水平，需要仔細(xì)注意系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱和機(jī)械方面。

圖1.MAX1298/MAX1299的內(nèi)部溫度誤差與溫度（°C）的關(guān)系

由于MAX1298/MAX1299的封裝必須與要測(cè)量溫度的物體（OM）進(jìn)行機(jī)械和熱連接，如果器件與被測(cè)物體之間存在溫差，則它們之間將存在熱流。另外，由于MAX1298/MAX1299溫度傳感器（TS）的封裝必須機(jī)械和熱連接到電源（PS），因此，如果MAX1298/MAX1299與PS之間存在溫差，它們之間將存在熱流。如果MAX1298/MAX1299與周圍環(huán)境（AE）之間存在溫差，它們之間也會(huì)有熱流。

熱“集總”系統(tǒng)的定義如下：

由導(dǎo)熱材料互連的系統(tǒng)，導(dǎo)熱材料在徑向方向上是隔熱的，這意味著導(dǎo)體徑向方向的電導(dǎo)率與其沿其長(zhǎng)度的電導(dǎo)率相比非常低（絕緣銅線就是一個(gè)例子），或

通過(guò)導(dǎo)熱硅“潤(rùn)滑脂”互連的系統(tǒng)。

熱集總系統(tǒng)中任何兩個(gè)物體之間的熱流速率可以表示為：

(dQ/dt)12 = (T1- T2) × K × A12/(x2-x1) Joules/sec

在上式中，T1和 T2分別是物體 1 和物體 2 的溫度（以 °C 為單位），K 是互連材料的熱導(dǎo)率 [以焦耳/（°C × 米 × 秒為單位）]，A12是互連材料的橫截面積（以米2為單位），（x2 - x1）是互連材料的長(zhǎng)度（以米為單位）。有關(guān)各種材料的導(dǎo)熱系數(shù)（K）值，請(qǐng)參見下表。

等式1可以簡(jiǎn)化為：

(dQ/dt)12 = (T1- T2) × K12 Joules/sec

在這個(gè)方程中，K12是物體 1 和物體 2 之間互連的特定熱導(dǎo)率，單位為焦耳/（°C × 秒）。

估算MAX1298/MAX1299溫度傳感器與周圍環(huán)境之間的熱導(dǎo)率（KTSAE）涉及更多，因?yàn)閺奈覀兊?cm×2cm溫度傳感器（TS）PC板到周圍環(huán)境（AE）的輻射并不是真正的熱集總過(guò)程，而更像是一個(gè)熱分布過(guò)程。你可以估計(jì) K上汽假設(shè) PC 板實(shí)際上是黑體散熱器。這允許使用Stefan-Boltzmann公式，該公式僅使用散熱器的表面積（A）和兩個(gè)溫度的四次方TTS和 TAE:

KTSAE = A × 56.697 × (TTS 4 - TAE 4) × 10-9 J/sec

現(xiàn)在，為了簡(jiǎn)化起見，讓我們假設(shè)被測(cè)對(duì)象、電源和周圍環(huán)境充當(dāng)大型儲(chǔ)熱器，以便在它們之間交換熱量時(shí)它們的溫度不會(huì)改變。請(qǐng)注意，對(duì)于MAX1298/MAX1299溫度傳感器，我們不能做出這樣的假設(shè)，因?yàn)樗某叽绾唾|(zhì)量都很小?，F(xiàn)在，我們可以使用電氣原理圖作為模擬來(lái)制作系統(tǒng)的熱模型（見圖2）。

圖2.熱系統(tǒng)的電氣模擬。

ROMTS表示被測(cè)物體的儲(chǔ)熱器（VOM）和溫度傳感器之間的熱阻。ROMTS的熱阻為1/KOMTS。同樣，RTSPS表示溫度傳感器和電源儲(chǔ)熱器（VPS）之間的熱阻。RTSPS的熱阻為1 / KTSPS。最后，RTSAE表示溫度傳感器和環(huán)境環(huán)境儲(chǔ)熱器（VAE）之間的熱阻。RTSAE的熱阻為1 / KTSAE?，F(xiàn)在假設(shè)溫度傳感器本身不會(huì)產(chǎn)生任何熱量。然后請(qǐng)注意，溫度傳感器 （TTS） 處的溫度類似于溫度傳感器節(jié)點(diǎn)上的電壓 VTS。我們可以將其計(jì)算為各種組件的函數(shù)：

VTS = （VOM × KOMTS + VPS × KTSPS + VAE × KTSAE）/（KOMTS + KTSPS + KTSAE）

現(xiàn)在，讓我們通過(guò)在 VOM 和 TOM 之間選擇 1：1 的關(guān)系來(lái)讓我們的生活更輕松。因此，讓VOM = TOM （°C），VPS = TPS （°C），VAE = TAE （°C）。

例如，讓我們使TOM = 75°C，TPS = 30°C和TAE = 25°C，因此VOM = 75V，VPS = 30V，VAE = 25V。

為了找到 K 項(xiàng)的值，讓我們做出以下假設(shè)：

KOMTS是由于在溫度傳感器PC板和被測(cè)物體之間施加了1mm厚，20mm x 20mm面積的硅散熱器化合物。常用硅膠散熱器化合物的 K 值為 18 × 10-4 Cal/（°C × cm × sec） = 0.75 J/（°C × m × sec）。因此：

KOMTS = 0.75 × （0.02 × 0.02）/1 × 10-3 = 0.3 焦耳/（°C × 秒）

KTSPS由4米長(zhǎng)、16根導(dǎo)體（假設(shè)MAX1298/MAX1299上的所有引腳都使用）、π ×（1mm）2的絕緣銅電纜橫截面積構(gòu)成。（這是一根 16 芯 4 米長(zhǎng)的 1mm 半徑銅纜。這些電纜大多具有圓形而不是方形導(dǎo)體，因此π × r2面積項(xiàng)。MAX1298引腳非常短，因此它們的貢獻(xiàn)微不足道。然后

KTSPS = 380 焦耳/（米 × 秒 × °C） × （16 × π × （1 × 10-3m）2）/4m = 0.0048 焦耳/（°C × 秒）

KTSAE是由于20mm x 20mm的印刷電路板直接連接到周圍環(huán)境。根據(jù)等式 3，KTSAE = （0.02 × 0.02） × 56.697nW/meter2/°C4 × （TTS 4 - TAE 4）。如果我們假設(shè)硅散熱器化合物兩端的熱壓降相對(duì)較小，那么TTS~TOM和

KTSAE ~ （0.02m × 0.02m） × 56.697 × 10（-9 × （TOM 4 - TAE 4） = 709uJ/（°C × 秒）

現(xiàn)在將K項(xiàng)的計(jì)算值和我們上面選擇的電壓值代入，我們得到以下結(jié)果：

VTP = （75 × 0.3 + 30 × 0.0048 + 25 × 0.000709）/（0.3 + 0.0048 + 0.000709） = 74.177V

最后，我們考慮MAX1298/MAX1299在最大功率下工作的情況，看看這對(duì)TERR有什么影響。MAX1298/MAX1299的最大功率 = 5.5V × 500μA = 2.75mW。在TERR方程中對(duì)該項(xiàng)的一個(gè)很好的估計(jì)是在TERR項(xiàng)中添加一個(gè)增量TERR，使得TERR增量為~2.75mW/KOMTS = 2.7 × 10-3/0.3 = 9 × 10-3 °C ~ + 0.01°C。 因此，在此設(shè)置中，可以安全地忽略MAX1298/MAX1299對(duì)TERR的貢獻(xiàn)。

在本例中，我們發(fā)現(xiàn)溫度傳感器的溫度為 74.177°C。溫度誤差 TERR = TTS - TOM = 74.177 - 75.000 = -0.823°C。 這是一個(gè)相當(dāng)大的誤差，但由于它取決于各種溫度，因此可能會(huì)更高或更低。為了觀察這一點(diǎn)，取公式4并用其相關(guān)溫度替換電壓：

TTP = (TOM × KOMTS + TPS × KTSPS + TAE × KTSAE)/(KOMTS + KTSPS + KTSAE)

因此:

TERR = TTS - TOM = [(TOM × KOMTS + TPS × KTSPS + TAE × KTSAE)/(KOMTS + KTSPS + KTSAE)] - TOM

該系統(tǒng)的TERR與TOM曲線如圖3所示。

圖3.TERR (°C) vs. TOM (°C).

如圖3所示，系統(tǒng)熱特性引起的溫度誤差可能大于MAX1298/MAX1299溫度傳感器引起的誤差?？梢宰鰩准聛?lái)幫助減少此錯(cuò)誤 （T犯 錯(cuò)):

減少電源（和其他處于環(huán)境溫度的設(shè)備）和溫度傳感器之間的導(dǎo)體數(shù)量。這可以通過(guò)不使用MAX1298/MAX1299提供的所有功能來(lái)實(shí)現(xiàn)。

增加溫度傳感器 PC 板尺寸。未與MAX1298/MAX1299電連接并覆蓋電路板兩側(cè)的金屬平面，如果將其緊緊擰入被測(cè)物體，則會(huì)增加KTSOM。MAX1298/MAX1299應(yīng)位于印刷電路板的被測(cè)對(duì)象側(cè)。

加長(zhǎng)將溫度傳感器連接到電源（以及處于或接近環(huán)境溫度的其他設(shè)備）的導(dǎo)體。這可以通過(guò)在電纜的電源端附近卷起多余的電線來(lái)實(shí)現(xiàn)。電纜的電源端的溫度低于溫度傳感器端的溫度，因此從額外絕緣體輻射出的任何“徑向”熱量都將具有較小的ΔT驅(qū)動(dòng)它。注意，MAX1298/MAX1299電源需要在溫度傳感器PCB上具有本地電容去耦，因?yàn)殡娎|中存在大量串聯(lián)電感。

通過(guò)備用通道（如光隔離器或光纖電纜）傳輸數(shù)字信號(hào)。該交替通道串行數(shù)據(jù)可以在溫度傳感器上本地恢復(fù)。這將有助于減少所需的導(dǎo)體數(shù)量（見上面的數(shù)字1）。

用電池為MAX1298/MAX1299供電。這與上面的數(shù)字3相結(jié)合，原則上可以完全消除導(dǎo)體并使T犯 錯(cuò)微不足道。由于MAX1298/MAX1299具有許多關(guān)斷選項(xiàng)，因此這是一個(gè)可行的選擇。

從上面的例子可以看出，對(duì)于高精度溫度測(cè)量系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)電氣和機(jī)械部件期間以及理想情況下在設(shè)計(jì)之前考慮設(shè)計(jì)的熱方面至關(guān)重要。

審核編輯：郭婷