多功能溫度監(jiān)控器ADT14的開發(fā)與應(yīng)用

1．概述
　　各種家用電器和工業(yè)設(shè)備如空調(diào)機(jī)、電冰箱、電風(fēng)扇、電暖氣、電烤箱、電熱飲水機(jī)、孵卵器，等等，都與溫度或氣溫變化有關(guān)，經(jīng)常需要根據(jù)溫度變高或變低進(jìn)行開機(jī)或者關(guān)機(jī)控制，這就必須要有檢測溫度的熱敏傳感器和開關(guān)控制器。以前常用功能單一的集成電路或半導(dǎo)體分立件甚至機(jī)械式傳感器設(shè)計電路，使得電路復(fù)雜、體積大、精度低、成本高、壽命短。如果采用ADI公司為此開發(fā)的專用芯片來實(shí)現(xiàn)，則可以克服上述缺點(diǎn)。
　　ADT14是美國模擬器件公司(ADI)研制的一種溫控開關(guān)(或溫度監(jiān)控器)，不僅可以滿足上述需要，還可用于基于電腦的產(chǎn)品中，能夠為低功耗微控制器MCU、微處理器MPU或數(shù)字系統(tǒng)監(jiān)視環(huán)境溫度。將熱敏傳感器和開關(guān)控制電路集成到一片16腳封裝的小芯片內(nèi)，與采用分立元件或通用芯片構(gòu)成的電路相比，大大減小了系統(tǒng)電路的復(fù)雜性和元器件的數(shù)量，顯著提高了系統(tǒng)可靠性和精確度。
　　主要應(yīng)用于：溫度過高或過低檢測和報警；電路板級溫度探測；溫度控制；電子恒溫器；過熱保護(hù)；溫度遙測；工業(yè)過程控制；監(jiān)控PC機(jī)中的微處理器；監(jiān)控功放機(jī)中的功率器件；風(fēng)扇控制；家用電器；充電器過熱保護(hù)等。
　　主要特點(diǎn)：監(jiān)測溫度范圍寬，并可用外接電阻自由設(shè)定溫控點(diǎn)（從-40℃到+125℃）；溫控點(diǎn)精度典型值±3℃；與溫度成比例的電壓輸出，比例因子+5mV/K；5mA集電極開路輸出；TTL/CMOS電平兼容；可調(diào)節(jié)的溫度遲滯；內(nèi)設(shè)2.5V電壓參考源；單電源工作（4.5～5.5V）；靜態(tài)電流僅為0.6mA；8腳DIP、SOIC兩種封裝。

2．內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能
　　ADT14芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能方塊圖如圖1所示，主要包含：電壓參考源、正溫度系數(shù)溫度檢測器、電壓比較器、遲滯電路和輸出電路等，ADT14各引腳功能見表1。

3．功能描述
　　ADT14芯片實(shí)際上是一種半導(dǎo)體溫度傳感器和溫度控制器多功能器件，它有5個輸出腳，1個腳輸出正比于溫度的電壓，另外4個腳輸出邏輯電平控制信號。4個溫控點(diǎn)和溫度遲滯都可以由用戶通過外接電路自行設(shè)置。
　　ADT14芯片內(nèi)部集成了1個帶隙電壓參考源和4個電壓比較器，參考源產(chǎn)生一個恒定的2.5V電壓和一個與溫度成正比的電壓信號VPTAT，溫度系數(shù)（或稱比例因子）典型值為+5mV/K=+5mV/(℃+273.15)。當(dāng)溫度為+25℃時VPTAT為1.49V。4個電壓比較器在結(jié)構(gòu)上和功能上都相同，也沒有先后順序之分。通過比較器，將VPTAT電壓信號與2.5V電壓參考源外接電阻分壓支路設(shè)定的溫控點(diǎn)（分壓值）進(jìn)行比較，當(dāng)高出設(shè)定溫度值時就會輸出控制信號。按用戶需要，電阻分壓支路可以設(shè)置1個到4個電壓參考點(diǎn)作為溫控點(diǎn)。每個比較器的輸出端都連接一只集電極開路晶體管，該管可以提供吸入5mA電流的驅(qū)動能力。
表1 引腳功能

　　還有一個片內(nèi)遲滯效應(yīng)產(chǎn)生電路，用于加速溫控點(diǎn)上輸出信號的躍變，也可以降低噪聲環(huán)境下輸出的不穩(wěn)定性。遲滯量的大小可以用外接電壓來設(shè)定，該電壓可以調(diào)整用于產(chǎn)生遲滯偏置電壓的遲滯電流。該電流由內(nèi)部鏡像電路（電流鏡）產(chǎn)生一個鏡像電流，由該電流產(chǎn)生一個極性可變的遲滯偏置電壓，疊加在2.5V的參考源之上，為并行連接的4個比較器的輸入端提供基準(zhǔn)電壓。
　　ADT14采用專利技術(shù)集成的溫度特性優(yōu)良的薄膜電阻，再結(jié)合激光校準(zhǔn)技術(shù)，確保ADT14在標(biāo)稱溫度范圍內(nèi)具備典型值為±3℃的溫度精確度和良好的線性。集電極開路輸出端能夠吸入5mA的負(fù)載電流，可以直接驅(qū)動小型繼電器或發(fā)光二極管LED指示燈。工作在5V電源下，靜態(tài)電流最大值僅為0.6mA。

4．特性參數(shù)
　　ADT14的極限參數(shù)如表2所示。

5．使用說明
　　5.1溫控點(diǎn)設(shè)置
　　在ADT14作為溫度監(jiān)控器的基本應(yīng)用電路中，僅需用幾只電阻串聯(lián)成一個分壓支路，以VREF為電壓源，分別設(shè)置4個溫控點(diǎn)的電壓即可。這幾只電阻按以下順序確定。
　　(1)選擇分壓電路結(jié)構(gòu)，為并聯(lián)式（各溫控點(diǎn)電壓可獨(dú)立調(diào)節(jié)）、串聯(lián)式或混聯(lián)式；
　　(2)確定所需溫控點(diǎn)的溫度和個數(shù)；
　　(3)計算各溫控點(diǎn)電壓；
　　(4)確定VREF負(fù)載電流IL；
　　(5)計算各電阻阻值。
　　以下以圖2(a)所示的混聯(lián)式電路為例計算各電阻的阻值：
　　對于SET4，T4=100℃；VSET4=(T4+273.15)(5mV/K)
　　對于SET1，T1=75℃；VSET1=(T1+273.15)(5mV/K)
　　選擇IL1=25μA，則
　　R1=(VREF-VSET4)/IL1
　　R2=(VSET4-VSET1)/IL1
　　R3=VSET1/IL1
　　對于SET3，T3=50℃；VSET3=(T3+273.15)(5mV/K)
　　對于SET2，T2=10℃；VSET2=(T3+273.15)(5mV/K)
　　選擇IL2=25μA，則
　　R4=(VREF-VSET3)/IL2
　　R5=(VSET3-VSET2)/IL2
　　R6=VSET2/IL2
　　在上例中，將SET4設(shè)置為高端溫控點(diǎn)，后面依次為SET1、SET3、SET2，該順序可由用戶隨意改變，原因是4個比較器完全相同。不過，應(yīng)確?？偟牡刃щ娮璨恍∮?2.5kΩ，這樣將保持VREF端的負(fù)載電流不超過200μA。為了避免產(chǎn)生誤差，一般選擇50μAL=( IL1+ IL2)<200μA。
　　如果4個溫控點(diǎn)設(shè)置完成后不需要改變，可以選擇串聯(lián)式電路，如圖2(b)所示。各電阻的阻值為：
　　R1=(VREF-VSET4)/IL
　　R2=(VSET4-VSET1)/IL
　　R3=(VSET1-VSET3)/IL
　　R4=(VSET3-VSET2)/IL
　　R5=VSET2/IL
　　5.2溫度遲滯
　　在圖3中示出了遲滯效應(yīng)的“電壓—溫度”關(guān)系圖。遲滯的大小是可以由用戶按需要設(shè)置的，其方法是用外接短路線或外接電阻把HYS端接參考電壓VREF或接地GND或懸空。當(dāng)11腳連接VREF、懸空或接地時，遲滯溫度分別為0.65℃、1.5℃和5℃，而且各個溫控點(diǎn)的遲滯大小一致。
　　遲滯量的大小也是連續(xù)可調(diào)的。如圖4所示，如果在HYS端和VREF端之間跨接一只可變電阻，遲滯就可以在0.65℃到1.5℃之間選擇，阻值計算公式為：R1=[57.5/(1.5-TH)]-57.5，其中TH為遲滯溫度；如果在HYS端和GND端之間跨接一只可變電阻，遲滯就可以在1.5℃到5℃之間選擇，阻值計算公式為：R2=[57.5/(TH-1.5)]-57.5。
　　5.3自加熱效應(yīng)
　　在一些應(yīng)用中，用戶應(yīng)該考慮輸出級功耗引起的自加熱效應(yīng)，每個集電極開路輸出管能夠連續(xù)吸入5mA的負(fù)載電流。在滿負(fù)荷情況下，ADT14輸出級的功耗為：
　　PD=0.6×5×4=12mW
　　對于貼片式封裝SOIC的ADT14，由自加熱引起的溫度增加量為：
　　△T=PD·JA=0.012×81=0.97℃
　　自加熱效應(yīng)會直接影響ADT14的精確度，并且自加熱效應(yīng)將會抬高溫控點(diǎn)溫度。如果利用安裝散熱器的方法，可使熱阻顯著下降（對于SOIC封裝的熱阻θJC為27℃/W），從而可使自加熱效應(yīng)大幅度地降低。

6．應(yīng)用兩例
　　6.1智能溫度控制系統(tǒng)
　　ADT14與8051或其他新型微控制器結(jié)合就產(chǎn)生了一個功能強(qiáng)大的溫度控制器。例如，通過使用數(shù)控電位器AD8403等，用戶就可以借助于PC機(jī)或觸摸面板自動設(shè)置溫控點(diǎn)。ADT14的輸出信號被回送到微控制器，以便監(jiān)測溫控點(diǎn)輸出端是否發(fā)生反轉(zhuǎn)。高端的溫控點(diǎn)輸出數(shù)據(jù)可以用于開啟冷卻電扇以及設(shè)置其高、低檔轉(zhuǎn)速；低端的溫控點(diǎn)輸出數(shù)據(jù)可以用于開啟加熱電爐，以及設(shè)置其高或低兩檔的加熱功率。
　　AD8403片內(nèi)包含4只可變電阻，通過三線同步串行接口進(jìn)行控制。在圖5中，串聯(lián)4只內(nèi)部電阻和1只外接電阻構(gòu)成分壓支路，為ADT14設(shè)置4個溫控點(diǎn)。微控制器中操作AD8403的程序可以設(shè)置為，不能使電位器滑動端超出邊界。AD8403還有一個節(jié)能控制腳，當(dāng)該腳加低電平時，可使其功耗降低到10nA（典型值），此時內(nèi)部的存儲器仍然保持對電位器設(shè)置參數(shù)的記憶。

　　6.2溫控點(diǎn)輸出端信號疊加控制功率
　　人們經(jīng)常希望按照環(huán)境溫度的變化對一種電器的功率進(jìn)行等級控制。譬如，在用功率可控制的電爐對一種液體加熱的過程中，當(dāng)液體溫度比最低溫控點(diǎn)溫度還低時，就給電爐輸送滿功率（100%），使溫度以最快的速度上升；當(dāng)液體溫度超過最低溫控點(diǎn)時，就將給電爐輸送功率減小到75%，以降低溫度上升的速度；當(dāng)液體溫度超過第2個溫控點(diǎn)時，進(jìn)一步降低輸送給電爐的功率，即50%；直到液體溫度超出最高溫控點(diǎn)時，輸送給電爐的功率降低到0%，而停止加熱。
　　圖6就是實(shí)現(xiàn)上述功能的電路。溫度控制以25%為梯度共分4檔，電路中使用了一片高精度、滿幅度輸出的雙運(yùn)放OP284，其前一級接成反相加法器，后一級接成電壓/電流變換器。