采用RTD的高EMC性能精密溫度測(cè)量解決方案

Jon Geng, Li Ke, 和 Karl Wei

您是否想過(guò)如何設(shè)計(jì)一個(gè)具有高電磁兼容性(EMC)性能的精密溫度測(cè)量系統(tǒng)？本文將討論精密溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮因素，以及如何在保持測(cè)量精度的同時(shí)提高系統(tǒng)的EMC性能。我們將以RTD溫度測(cè)量為例介紹測(cè)試結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，以便我們能夠輕松地從概念開(kāi)發(fā)出原型和產(chǎn)品并走向市場(chǎng)。

精密溫度測(cè)量和EMC挑戰(zhàn)

溫度測(cè)量是模擬領(lǐng)域中最常用的一項(xiàng)檢測(cè)技術(shù)。許多測(cè)量技術(shù)可用來(lái)檢測(cè)環(huán)境溫度。熱敏電阻是一種小尺寸且簡(jiǎn)單的2線制方案，具有快速響應(yīng)時(shí)間，但其非線性和有限的溫度范圍限制了其精度和應(yīng)用。RTD是最穩(wěn)定、最精確的溫度測(cè)量方法。RTD設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于需要外部激勵(lì)、復(fù)雜電路和校準(zhǔn)。沒(méi)有溫度測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)的工程師可能會(huì)氣餒。熱電偶(TC)可以提供堅(jiān)固耐用、便宜、不同測(cè)量范圍的解決方案，但完整的熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)需要冷端補(bǔ)償(CJC)。與熱敏電阻、TC和RTD相比，新型的數(shù)字溫度傳感器可以直接通過(guò)數(shù)字接口提供校準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)。精密溫度測(cè)量需要高精度溫度傳感器和精密信號(hào)鏈來(lái)構(gòu)成一個(gè)溫度測(cè)量系統(tǒng)。TC、RTD和數(shù)字溫度傳感器的精度最高。精密信號(hào)鏈器件是可以獲得的，可用來(lái)收集這些傳感器信號(hào)并將其轉(zhuǎn)換為絕對(duì)溫度。在工業(yè)領(lǐng)域，達(dá)到0.1°C的精度是我們的目標(biāo)。這種精度測(cè)量不包括傳感器誤差。表1比較了不同類型的溫度傳感器。

創(chuàng)建數(shù)字溫度測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，特別是針對(duì)工業(yè)和鐵路等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用時(shí)，不僅要關(guān)注精度和設(shè)計(jì)難度，EMC性能也是保持系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵特性。系統(tǒng)需要額外的電路和分立器件以提高EMC性能。但是，更多的保護(hù)器件意味著更多的誤差源。因此，設(shè)計(jì)具有高檢測(cè)精度和高EMC性能的溫度測(cè)量系統(tǒng)是非常具有挑戰(zhàn)性的。溫度測(cè)量系統(tǒng)的EMC性能決定其能否在指定的電磁環(huán)境中正常工作。

ADI公司提供各種溫度測(cè)量解決方案，例如精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、模擬前端(AFE)、IC溫度傳感器等。ADI AFE解決方案提供多傳感器高精度數(shù)字溫度測(cè)量系統(tǒng)，支持直接TC測(cè)量、直接RTD測(cè)量、直接熱敏電阻測(cè)量和定制傳感器應(yīng)用。當(dāng)增加EMC保護(hù)器件時(shí)，一些特殊配置可以幫助保持高測(cè)量精度。圖1顯示了經(jīng)典比率式溫度測(cè)量電路和計(jì)算公式。

圖 1. 經(jīng)典比率式溫度測(cè)量電路和計(jì)算公式

以下部分介紹了溫度檢測(cè)解決方案，以便系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)出色的EMC性能。

RTD溫度測(cè)量解決方案

以 LTC2983 溫度測(cè)量AFE為例。系統(tǒng)控制器可以通過(guò)SPI接口直接從LTC2983讀取校準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)，精度為0.1°C，分辨率為0.001°C。連接4線RTD時(shí)，激勵(lì)電流旋轉(zhuǎn)功能可以自動(dòng)消除熱電偶的寄生效應(yīng)，并降低信號(hào)電路漏電流的影響?；谶@些特性，LTC2983可以加速多通道精密溫度測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高EMC性能而無(wú)需復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，讓您和您的客戶更有信心。圖2顯示了EMC保護(hù)的LTC2983溫度測(cè)量系統(tǒng)框圖。

圖 2. EMC 保護(hù)的 LTC2983 溫度測(cè)量系統(tǒng)

RTD無(wú)疑是高精度溫度測(cè)量的出色選擇，可以測(cè)量-200°C至+800°C范圍內(nèi)的溫度。100Ω和1000Ω鉑RTD最常見(jiàn)，但也可以由鎳或銅制成。

最簡(jiǎn)單的RTD溫度測(cè)量系統(tǒng)是2線配置，但引線電阻會(huì)引入額外的系統(tǒng)溫度誤差。將兩個(gè)匹配的電流源施加到RTD（引線電阻應(yīng)相等），3線配置便可消除引線電阻誤差。利用高阻抗開(kāi)爾文檢測(cè)直接測(cè)量傳感器，開(kāi)爾文配置或4線配置便可消除平衡或不平衡的引線電阻。然而，成本將是4線配置的主要障礙，因?yàn)槠湫枰嚯娎|，特別是針對(duì)遠(yuǎn)距離溫度測(cè)量。圖3顯示了不同的RTD接線配置1。考慮到實(shí)際的客戶用例，本文選擇了3線RTD配置并測(cè)試其EMC性能。

圖 3. 不同 RTD 接線配置：(a) 2 線，(b) 3 線，(c) 4 線

2線和3線RTD傳感器還可以在PCB上使用開(kāi)爾文配置。當(dāng)需要將限流電阻和RC濾波器添加到信號(hào)鏈路以保護(hù)器件的模擬輸入引腳時(shí)，這些額外的電阻會(huì)引入很大的系統(tǒng)失調(diào)。例如，用4線開(kāi)爾文配置取代2線保護(hù)電路可以幫助消除該失調(diào)，因?yàn)榧?lì)電流不會(huì)流過(guò)這些限流電阻和RC濾波器，保護(hù)電阻引起的誤差可以忽略不計(jì)（參見(jiàn)圖4）。欲了解更多信息，請(qǐng)參閱 LTC2986數(shù)據(jù)手冊(cè)。

圖 4. 4 線配置消除額外的電阻誤差

溫度測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)健性挑戰(zhàn)

與大多數(shù)溫度測(cè)量IC一樣，LTC2983可以耐受2 kV HBM ESD電平。但在工業(yè)自動(dòng)化、鐵路和其他苛刻電磁環(huán)境中，電子器件需要面對(duì)更高的干擾電平和更復(fù)雜的EMC事件，例如靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)、輻射敏感性(RS)、傳導(dǎo)敏感性(CS)和浪涌等。

為了降低下游設(shè)備遭到損壞的風(fēng)險(xiǎn)并提高系統(tǒng)的魯棒性，額外的分立保護(hù)器件是必要的。

EMC事件的三要素是噪聲源、耦合路徑和接收器。如圖5所示，在該溫度測(cè)量系統(tǒng)中，噪聲源來(lái)自周圍環(huán)境。耦合路徑是傳感器電纜，LTC2983是接收器。工業(yè)自動(dòng)化和鐵路應(yīng)用總是使用長(zhǎng)傳感器電纜來(lái)檢測(cè)遠(yuǎn)程器件的溫度。傳感器電纜的長(zhǎng)度可以是數(shù)米甚至數(shù)十米。較長(zhǎng)的電纜導(dǎo)致耦合路徑更大，溫度測(cè)量系統(tǒng)面臨更嚴(yán)重的EMI挑戰(zhàn)。

圖 5. 溫度測(cè)量系統(tǒng)的 EMI 事件的三要素

采用TVS的系統(tǒng)級(jí)保護(hù)解決方案

瞬變電壓抑制器(TVS)和限流電阻是最常見(jiàn)的保護(hù)器件。選擇合適的TVS和限流電阻不僅可以提高系統(tǒng)穩(wěn)健性，還能保持系統(tǒng)的高測(cè)量性能。表2顯示了TVS器件的主要參數(shù)，包括工作峰值反向電壓、擊穿電壓、最大箝位電壓和最大反向漏電流。工作峰值反向電壓必須高于最大傳感器信號(hào)，以確保系統(tǒng)正常工作。擊穿電壓不應(yīng)比信號(hào)電壓高很多，以避免產(chǎn)生很寬的無(wú)保護(hù)電壓范圍。最大箝位電壓決定TVS可以抑制的最大干擾信號(hào)電壓。反向漏電流會(huì)對(duì)系統(tǒng)貢獻(xiàn)很大的測(cè)量誤差，因此應(yīng)選擇反向漏電流盡可能小的TVS。

正常工作條件下，TVS器件表現(xiàn)出很高的對(duì)地阻抗。將一個(gè)大于TVS擊穿電壓的瞬變電壓施加于系統(tǒng)輸入端時(shí)，一旦TVS被擊穿，輸入端電壓就會(huì)被箝位并提供低阻抗接地路徑，將瞬變電流從輸入端轉(zhuǎn)移到地。

圖2所示為3線PT-1000保護(hù)電路。3線PT-1000通過(guò)三個(gè)相鄰?fù)ǖ肋B接到LTC2983，其受到SMAJ5.0A TVS和100Ω限流電阻的保護(hù)。限流電阻和下游電容形成低通濾波器，以盡可能多地消除輸入線路中的RF成分，使每條線路和地之間的交流信號(hào)保持平衡，并在測(cè)量帶寬上維持足夠高的輸入阻抗以避免加載信號(hào)源2。差分模式濾波器的-3 dB帶寬為7.9 kHz，共模濾波器的-3 dB帶寬為1.6 MHz。

該溫度測(cè)量系統(tǒng)依據(jù)IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-3、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5和IEC 61000-4-6標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測(cè)試。在這些測(cè)試下，系統(tǒng)必須正常工作并提供精確的溫度測(cè)量。被測(cè)傳感器是B類3線PT-1000，其使用約10 m長(zhǎng)的屏蔽線。

表3列出了IEC 61000-4-x抗擾度測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試電平和系統(tǒng)受EMI事件干擾時(shí)的溫度波動(dòng)。圖6顯示了測(cè)試時(shí)的輸出溫度數(shù)據(jù)曲線，其對(duì)應(yīng)于表3中的最大溫度波動(dòng)。

增加保護(hù)后的溫度測(cè)量精度

TVS和限流電阻有助于保護(hù)溫度測(cè)量系統(tǒng)不受EMC影響。箝位電壓越低的TVS，越能保護(hù)敏感電路。但反過(guò)來(lái)，它們可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。為了應(yīng)對(duì)這種情況，我們必須使用具有更高擊穿電壓的TVS，因?yàn)楦叩膿舸╇妷阂馕吨谡９ぷ麟妷合侣╇娏鞲佟VS漏電流越低，則給系統(tǒng)增加的誤差越小。

考慮這些因素，我們使用了一個(gè)Littelfuse SMAJ5.0A TVS（可以在大多數(shù)電子元器件經(jīng)銷商那里買到）和一個(gè)精度為±0.1%的100Ω限流電阻來(lái)保護(hù)系統(tǒng)，避免引入任何顯著的測(cè)量誤差。

為了實(shí)現(xiàn)高測(cè)量精度，我們使用精密電阻矩陣來(lái)替換PT-1000傳感器并模擬溫度變化。該精密電阻矩陣已利用Keysight Technologies 3458A萬(wàn)用表進(jìn)行了校準(zhǔn)。

為了減輕消除匹配引線電阻誤差的困難，我們使用4線配置來(lái)評(píng)估系統(tǒng)的精度性能。這更有利于消除傳感器誤差。

為了更準(zhǔn)確地計(jì)算系統(tǒng)誤差，我們需要使用與LTC2983相同的標(biāo)準(zhǔn)將電阻值轉(zhuǎn)換為溫度。傳感器制造商發(fā)布的溫度查找表是最準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換方法。但是，將每個(gè)溫度點(diǎn)寫入處理器的存儲(chǔ)器中是不明智的。因此，我們使用以下公式來(lái)計(jì)算溫度結(jié)果3。

當(dāng)T > 0°C時(shí)，公式為：

其中：

T為RTD溫度(°C)。

RRTD(T)為RTD電阻(Ω)。

R0 為RTD在0°C時(shí)的電阻（R0 = 1000 Ω）。

A = 3.9083 × 10–3

B = –5.775 × 10–7

C = –4.183 × 10–12

圖7顯示，在-134°C至+607°C的溫度范圍內(nèi)，總系統(tǒng)誤差不超過(guò)±0.4°C。與圖9（顯示了LTC2983對(duì)RTD溫度測(cè)量的誤差貢獻(xiàn)）相比，附加保護(hù)器件增加了大約±0.3°C的系統(tǒng)誤差，尤其是TVS漏電流?？梢钥吹剑S著溫度升高，系統(tǒng)誤差增加。這就涉及到TVS的I-V曲線特性。

系統(tǒng)誤差可計(jì)算如下：

其中：

Terror 為L(zhǎng)TC2983溫度測(cè)量系統(tǒng)的總輸出誤差(°C)。

Tcal 為利用精密電阻計(jì)算的溫度(°C)，已利用Keysight Technologies 3458A進(jìn)行校準(zhǔn)。

TLTC2983 是LTC2983輸出溫度(°C)。

圖8說(shuō)明，系統(tǒng)總峰峰值噪聲不超過(guò)±0.01°C，此結(jié)果符合數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格。

圖 8. 系統(tǒng)峰峰值噪聲與溫度的關(guān)系

10. 激勵(lì)電流旋轉(zhuǎn)配置：(a) 正向激勵(lì)流，(b) 反向激勵(lì)流

TVS誤差貢獻(xiàn)和優(yōu)化配置

TVS的I-V曲線特性可以從器件的數(shù)據(jù)手冊(cè)中找到。然而，大多數(shù)TVS制造商僅提供器件參數(shù)的典型值，而不是計(jì)算TVS在特定電壓下的誤差貢獻(xiàn)（尤其是漏電流誤差）所需的全部I-V數(shù)據(jù)。

本應(yīng)用中使用Littelfuse SMAJ5.0A TVS。測(cè)試一些樣品之后，我們發(fā)現(xiàn)漏電流在1 V反向電壓約為1μA，遠(yuǎn)小于TVS數(shù)據(jù)手冊(cè)給出的最大反向漏電流。這種漏電流會(huì)產(chǎn)生重大系統(tǒng)誤差。但是，如果使能LTC2983的激勵(lì)電流旋轉(zhuǎn)，則會(huì)大大減少漏電流誤差效應(yīng)。圖10顯示了激勵(lì)電流旋轉(zhuǎn)配置和TVS漏電流流動(dòng)。

當(dāng)Rsense與流過(guò)RTD的激勵(lì)電流相同時(shí)，RTD的電阻RT可以表示為4：

其中：

Rsense 為檢測(cè)電阻的實(shí)際電阻值

RRTD 為測(cè)量周期中RTD的實(shí)際電阻值

Vsense1 為檢測(cè)電阻處的實(shí)測(cè)電壓值

VRTD1 為正向激勵(lì)流周期中RTD的實(shí)測(cè)電壓值，如圖10(a)所示。

RRTD1 為正向激勵(lì)流周期中RTD的計(jì)算值

當(dāng)對(duì)反向激勵(lì)流使用激勵(lì)電流旋轉(zhuǎn)配置時(shí)（如圖10(b)所示），RTD電阻RRTD2計(jì)算如下：

其中：

Vsense2 為檢測(cè)電阻的實(shí)測(cè)電壓值。

VRTD2 為反向激勵(lì)流周期中RTD的實(shí)測(cè)電壓值，如所示圖10(b)所示。

RRTD2 為反向激勵(lì)流周期中RTD的計(jì)算值

根據(jù)TVS測(cè)量數(shù)據(jù)，在2 V反向電壓下，最大漏電流和最小漏電流之差平均約為10%。四個(gè)TVS的位置和匹配程度可能會(huì)引起相當(dāng)大的系統(tǒng)誤差。為了顯示誤差最大的情況，我們可以假設(shè)ITVS為平均漏電流， ITVS1 = ITVS2 = 0.9 × ITVS，而 ITVS3 = ITVS4 = 1.1 × ITVS。

當(dāng)Error(RRTDROT) = min {Error(RRTD1), Error(RRTD2)}時(shí)，Error (RRTDROT)將等于Error (RRTD1)， 或者Error(RRTDROT)將等于Error(RRTD2)。根據(jù)公式13至公式18，當(dāng)Iexc = 6 × ITVS，Error (RRTDROT)將等于min {Error(RRTD1), Error(RRTD2)}。當(dāng)Iexc = 6 × ITVS時(shí)，由于TVS漏電流，系統(tǒng)的精度將會(huì)降低16.7%。

根據(jù)配置和測(cè)試結(jié)果，Iexc > 6 × ITVS，因此

通常，Iexc > 100 × ITVS。圖11顯示了系統(tǒng)誤差，其中：

RRTDROT為采用激勵(lì)電流旋轉(zhuǎn)時(shí)的最終RTD電阻計(jì)算結(jié)果。

Error(RRTDROT) 在使用激勵(lì)電流旋轉(zhuǎn)配置時(shí)的TVS誤差貢獻(xiàn)，單位為°C。

Error(RRTD1) 和 Error(RRTD2) 是不使用旋轉(zhuǎn)配置時(shí)的TVS誤差貢獻(xiàn)，單位為°C。

上面的推導(dǎo)告訴我們，激勵(lì)電流旋轉(zhuǎn)配置可以減少TVS漏電流的誤差貢獻(xiàn)。以下測(cè)試結(jié)果證實(shí)了我們的斷言。

圖11顯示了不同激勵(lì)電流模式和TVS配置的系統(tǒng)誤差。如圖所示，當(dāng)不使用TVS時(shí)，旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)配置的系統(tǒng)精度大致相同。然而，使能激勵(lì)電流旋轉(zhuǎn)會(huì)自動(dòng)消除寄生熱電偶效應(yīng)，對(duì)此的更詳細(xì)說(shuō)明請(qǐng)參閱 LTC2983數(shù)據(jù)手冊(cè)。使用TVS保護(hù)系統(tǒng)時(shí)，總系統(tǒng)誤差會(huì)增加。但是，激勵(lì)電流旋轉(zhuǎn)配置可以顯著降低TVS漏電流的誤差影響，從而有助于在大部分溫度測(cè)量范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)與非TVS保護(hù)系統(tǒng)類似的精度水平。與沒(méi)有TVS的系統(tǒng)相比，額外的誤差是由TVS器件間差異貢獻(xiàn)的。

圖 11. 系統(tǒng)誤差與不同硬件和軟件配置的關(guān)系

結(jié)論

溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)常被認(rèn)為不是艱巨的任務(wù)。然而，對(duì)于大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員而言，開(kāi)發(fā)高度精確且穩(wěn)健的溫度測(cè)量系統(tǒng)是一個(gè)挑戰(zhàn)。LTC2983智能數(shù)字溫度傳感器可以幫助戰(zhàn)勝這一挑戰(zhàn)，開(kāi)發(fā)出可以快速推向市場(chǎng)的產(chǎn)品。

這種受保護(hù)的LTC2983溫度測(cè)量系統(tǒng)具有±0.4°C的系統(tǒng)精度。測(cè)量誤差包括LTC2983誤差、TVS?限流電阻誤差和PCB誤差貢獻(xiàn)。

LTC2983旋轉(zhuǎn)激勵(lì)電流配置可以顯著減少保護(hù)器件的漏電流誤差效應(yīng)。

LTC2983溫度測(cè)量系統(tǒng)可以在常見(jiàn)保護(hù)器件的加持下提供高EMC性能。有關(guān)EMI測(cè)試結(jié)果，請(qǐng)參閱表3。

本文給出了某些特定配置的精度和EMC性能測(cè)試結(jié)果。您可以選擇不同的TVS器件和限流電阻來(lái)獲得不同的測(cè)量精度和EMC性能，以滿足您的生產(chǎn)需求。

審核編輯：郭婷