使用具有不同理想因子的设备进行精确的温度测量

作者：Sal Afzal and Shuilin Tian

准确测量温度的能力对于电力系统的可靠运行至关重要。准确的温度数据可以揭示系统的瞬时运行状况，并启用热关断等实时保护功能。例如，温度的显著变化率可能表明功耗增加。如果实施了适当的温度反馈回路，则此信息可用于在温度上升到危险水平之前降低功耗。

也许最便宜和最普遍的温度传感器是二极管。硅p-n结在室温下的正向压降约为700mV，温度系数为−2.2mV/C。在许多系统中，这种对温度的敏感性被用作测量温度的一种手段，只需用恒定电流偏置二极管并测量产生的电压（见图1）。

图1.一个3.3V或更高的电阻器可提供足够恒定的电流。

这种方法已经获得了广泛的接受和普及，因为许多微处理器、FPGA、DC/DC转换器和其他高功率器件都包括二极管结（通常以双极晶体管的形式），用于监测器件本身的温度。

操作理论

二极管结的正向压降与温度的关系为：

(1)

我在哪里D是二极管电流，VD是二极管电压，IS是反向饱和电流（过程相关参数），η是理想因子（通常接近1.0）。VT定义为：

其中T是以开尔文为单位的二极管结温，k是玻尔兹曼常数，q是电子电荷。VT室温下约为26mV，随开尔文温度线性变化。

我S随温度升高，导致 ln（ID/我S） 随温度下降，产生大约 −2.2mV/°K 复合二极管电压斜率。

不幸的是，这些测量的准确性在很大程度上取决于IS，因生产批次而异。此外，必须校准初始偏移。这种可变性使得使用单点正向电压测量几乎不可能获得精确的温度绝对值。

由于η是一个常数，因此要获得与温度成比例的线性电压IS期限是唯一必须取消的期限。这可以通过测量两个不同电流水平下的二极管电压变化来实现，其中

如果

然后

如

如果我们在两个不同的电流下进行二极管测量，比率为10，则得到的电压为每开尔文198μV。测试电流的绝对值并不重要，重要的是两个电流的比值决定了∆VD.此技术消除了对 I 的依赖S，将理想因子作为从测量电压产生温度的唯一变量，其中理想因子本质上是给定结型的常数，不同结类型之间的差异很小。

简化温度测量

虽然∆VD测量温度的方法看起来很简单，其使用变得复杂，因为必须收集和使用许多准确的数据点进行实时计算，即：

二极管由两个精确比例的电流驱动

必须对相应的电压进行两次精确测量

记录已知的电流值和电压结果，并计算结果温度。

温度监控 IC（例如 LTC2990、LTC2991 和 LTC2997）可以解决这些复杂问题，同时使用上述差分测量技术来消除误差并提供精度在 1°C 以内的温度测量值。 它们还通过取V来补偿串联电阻误差D在多个工作电流下进行测量。它们测量远程和环境温度以及电压和电流。

LTC2997 提供了一个模拟输出，非常适合于过热报警和测量。无需校准。比率电流和三角形电压测量均在器件内部进行，并在输出端显示电压结果，灵敏度为4mV/°C。

与 LTC2997 一样，LTC2990 和 LTC2991 在内部进行所有必要的测量和温度计算。它们分别具有四个和八个测量通道。两款器件均具有板载ADC，可用于进行单端或差分电压测量。它们还使用内部二极管或使用测量通道的外部远程二极管测量温度。它们通过 I 传达所有测量结果2C 接口。

处理理想因素

这三款器件均设计用于测量温度，精度优于1°C，使用理想因数为1.004的器件的基极发射极结，例如广泛使用的MBBT 3904。如果目标传感器的理想系数与1.004不同，则可以使用以下公式在软件中进行补偿

(2)

在选择温度传感器时，考虑此参数非常重要，因为它可能会在绝对温度测量中产生误差。与1.004偏差±1%的理想因子将导致0°C时的误差为2.7°C，100°C时的误差为4°C。 但是，对于大多数交汇点，η传感器误差为 <1%，比设备单位间变化贡献的误差更小。

例如，图 2 示出了 LTC2990 与 LTM4630 μModule 稳压器接口的应用，该稳压器具有一个带一个内部 PNP 二极管的 TEMP 引脚。

图2.LTC2990 与 LTM4630 接口的框图。

该二极管的理想因数为1.008，与1.004仅相差0.4%。因此，LTM4630 与 LTC2990 接口时的绝对温度读数在 1°C 的准确度以内，直到温度超过 250°C，这远远超出了两个器件的工作范围。

为了证明这一点，使用图3所示的设置进行了实验。一个 2N3904NPN 晶体管放置在非常靠近 TEMP 引脚的位置，以便测量与 LTM4630 内部结相同的局部温度。LTC2990 和 LTM4630 单元均放置在烤箱内，并加热至 15°C、25°C、40°C、60°C 和 80°C。 LTM4630 模块已上电，但不存在负载，因此 LTM4630 的内部温度不会高于本地电路板温度。温度测量采用 LTC2990 的内部传感器、2N3904 和 LTM4630 TEMP 引脚进行。图4显示了15°C下测量数据的直方图。

图3.使用 2N3904 二极管测试设置。

图4.LTC2990 内部传感器、一个 2N3904 二极管和 LTM4630 TEMP 引脚 （连接至内部 PNP 二极管） 的温度测量比较。

LTC2990 的内部传感器显示烤箱的环境温度约为 15.5°C。 由于 LTM4630 模块已供电，其运行速度比环境温度高几度。因此，2N3904 和 LTM4630 的温度读数约为 21.6°C。 2N3904和LTM4630读数的放大图如图5所示。

图5.2N3904 和 LTM4630 的 LTC2990 温度测量值特写。

两个传感器之间的相关性很容易看出，两个传感器的分布中心在21.8°C左右，并且彼此相距在1°C以内，这验证了我们之前的说法，即由于理想因子偏差仅为0.4%，误差在1°C以内。无需更正η。

过采样以获得更好的分辨率

曲线的宽度表示ADC量化噪声，可以通过软件轻松滤除。虽然可以使用运行平均值进行过滤，但它要求处理器存储所平均样本数的数据。对于具有内存限制的处理器，这可能不是可取的。图6显示了用于实现低通滤波器的伪代码。

图6.低通滤波的C伪码实现。此处提供了示例代码。

过滤是通过添加新的温度数据，然后每次减去平均值来完成的。这种技术的优点是不需要存储数据的历史。如果 N 是 2 的幂，则可以通过简单的移位来完成除法。再次获取读数，图7显示了过滤后的数据分布。此处提供了使用 DC2026 Linduino 和 LTC2990 的代码示例。®

图7.2N3904 和 LT4630 之间的滤波 LTC2990 温度测量比较。

请注意温度峰值如何偏移0.1°C。 该误差是由于0.4%的理想因子误差造成的。如果我们使用公式2补偿理想因子，两个峰会很好地对齐，如图8所示。补偿确保具有不同η值的传感器在相同条件下可以产生相同的绝对温度。

图8.2N3904 和软件校准的 LTM4630 之间的 LTC2990 温度测量比较。

总结

我们的温度监测器使温度测量变得简单方便。测量与反向饱和电流和串联电阻无关。与具有不同理想因数的器件接口时引入的误差虽然通常可以忽略不计，但可以精确校准，从而允许使用带有各种二极管温度传感器的温度监视器。

审核编辑：郭婷