TMP435：高精度溫度傳感器的全方位解析

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，溫度監(jiān)測(cè)是至關(guān)重要的一環(huán)。TI推出的TMP435溫度傳感器，憑借其高精度、多功能等特性，在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中得到廣泛應(yīng)用。今天，我們就來(lái)深入了解一下這款傳感器。

文件下載：tmp435.pdf

一、產(chǎn)品概述

TMP435是一款集成了本地溫度傳感器的遠(yuǎn)程溫度傳感器監(jiān)測(cè)器。它的遠(yuǎn)程溫度傳感器通常采用低成本的NPN或PNP型晶體管或二極管，這些元件是微控制器、微處理器或FPGA的組成部分。其遠(yuǎn)程精度可達(dá)±1°C，且無(wú)需校準(zhǔn)，適用于多個(gè)IC制造商的產(chǎn)品。

二、特性亮點(diǎn)

高精度測(cè)量

無(wú)論是遠(yuǎn)程二極管傳感器還是本地溫度傳感器，都能實(shí)現(xiàn)±1°C的高精度測(cè)量，滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)溫度精度的要求。

自動(dòng)補(bǔ)償與校正

具備自動(dòng)β補(bǔ)償和n因子校正功能，能夠有效減少測(cè)量誤差，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性。

可編程功能

可編程閾值限制、分辨率等參數(shù)，用戶(hù)可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行靈活配置，增強(qiáng)了傳感器的適用性。

多接口與多地址

支持兩線/SMBus串行接口，方便與其他設(shè)備進(jìn)行通信。同時(shí)，具有多個(gè)接口地址，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器的同時(shí)使用。

故障檢測(cè)

具備二極管故障檢測(cè)功能，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)傳感器的異常情況，提高系統(tǒng)的可靠性。

三、應(yīng)用領(lǐng)域

TMP435的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域：

• 顯示設(shè)備：如LCD/DLP/LCOS投影儀，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行。
• 服務(wù)器與計(jì)算機(jī)：在服務(wù)器、臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦中，對(duì)處理器和FPGA進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)，防止過(guò)熱損壞。
• 工業(yè)控制：用于工業(yè)控制器和工業(yè)設(shè)備，保證設(shè)備在合適的溫度環(huán)境下工作。
• 電信設(shè)備：在中央辦公室電信設(shè)備中，對(duì)設(shè)備溫度進(jìn)行監(jiān)控，提高通信設(shè)備的可靠性。
• 醫(yī)療設(shè)備：在醫(yī)療設(shè)備中，對(duì)關(guān)鍵部件的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確保設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。

四、電氣特性

溫度誤差

本地溫度傳感器在 -40°C 至 +125°C 的范圍內(nèi)，溫度誤差在 ±0.25°C 至 ±2.5°C 之間；遠(yuǎn)程溫度傳感器在不同條件下，誤差也能控制在較小范圍內(nèi)。

測(cè)量時(shí)間與分辨率

本地通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間約為12 - 17ms，遠(yuǎn)程通道在不同配置下的轉(zhuǎn)換時(shí)間有所不同。測(cè)量分辨率均為12位，能夠提供較為精確的溫度數(shù)據(jù)。

電源特性

電源電壓范圍為2.7V至5.5V，靜態(tài)電流在不同轉(zhuǎn)換速率下有所差異，最低可達(dá)35μA。同時(shí)，具備欠壓鎖定和上電復(fù)位功能，提高了設(shè)備的穩(wěn)定性。

五、工作原理與關(guān)鍵技術(shù)

β補(bǔ)償

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程結(jié)溫度傳感器通過(guò)控制傳感晶體管的發(fā)射極電流來(lái)工作，但隨著處理器工藝的發(fā)展，β因子的變化使得這種方法的誤差逐漸增大。TMP435通過(guò)控制集電極電流，自動(dòng)檢測(cè)并選擇合適的范圍，以校正β因子的變化，從而提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

串聯(lián)電阻消除

TMP435能夠自動(dòng)消除應(yīng)用電路中的串聯(lián)電阻，防止因串聯(lián)電阻導(dǎo)致的溫度偏移。當(dāng)β校正禁用時(shí)，可消除高達(dá)1kΩ的串聯(lián)線電阻；當(dāng)β校正啟用時(shí)，可消除高達(dá)300Ω的串聯(lián)線電阻。

差分輸入電容

TMP435能夠承受高達(dá)2200pF的差分輸入電容，且溫度誤差變化極小。在需要過(guò)濾不需要的耦合信號(hào)時(shí)，可根據(jù)具體應(yīng)用選擇合適的濾波組件。

六、寄存器配置

TMP435包含多個(gè)寄存器，用于存儲(chǔ)配置信息、溫度測(cè)量結(jié)果、溫度比較器的最大/最小限制以及狀態(tài)信息。以下是一些重要寄存器的介紹：

指針寄存器

用于尋址特定的數(shù)據(jù)寄存器，每次寫(xiě)操作都需要設(shè)置該寄存器的值，以確定后續(xù)讀寫(xiě)操作的目標(biāo)寄存器。

溫度寄存器

分為本地和遠(yuǎn)程通道，每個(gè)通道都有高字節(jié)和低字節(jié)寄存器，用于存儲(chǔ)溫度測(cè)量結(jié)果。高字節(jié)寄存器存儲(chǔ)溫度的整數(shù)部分，低字節(jié)寄存器存儲(chǔ)溫度的小數(shù)部分，分辨率為0.0625°C。

限制寄存器

用于設(shè)置本地和遠(yuǎn)程測(cè)量通道的比較器限制，包括高限和低限。用戶(hù)可以根據(jù)需要設(shè)置溫度的上下限，當(dāng)溫度超出設(shè)定范圍時(shí)，可觸發(fā)相應(yīng)的報(bào)警信號(hào)。

狀態(tài)寄存器

用于報(bào)告溫度比較器的狀態(tài)，包括忙碌狀態(tài)、高低溫報(bào)警狀態(tài)、遠(yuǎn)程晶體管開(kāi)路狀態(tài)等。

配置寄存器

分為配置寄存器1和配置寄存器2，用于設(shè)置溫度范圍、控制關(guān)機(jī)模式、確定ALERT/THERM2引腳的功能以及控制溫度測(cè)量通道的啟用和電阻校正功能的啟用。

轉(zhuǎn)換速率寄存器

用于控制溫度轉(zhuǎn)換的速率，可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整轉(zhuǎn)換時(shí)間間隔，以平衡功耗和溫度寄存器的更新速率。

β補(bǔ)償配置寄存器

用于設(shè)置β補(bǔ)償?shù)哪Ｊ?，根?jù)不同的配置，TMP435會(huì)自動(dòng)檢測(cè)傳感器的連接方式，并選擇合適的β范圍進(jìn)行溫度測(cè)量。

n因子校正寄存器

用于調(diào)整遠(yuǎn)程通道測(cè)量的n因子值，以補(bǔ)償傳感器的非理想特性，提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

七、總線與接口

總線概述

TMP435與SMBus接口兼容，采用主從模式進(jìn)行通信。主設(shè)備負(fù)責(zé)生成串行時(shí)鐘（SCL）、控制總線訪問(wèn)以及生成起始和停止條件。

串行接口

TMP435作為從設(shè)備，通過(guò)SDA和SCL兩根開(kāi)漏I/O線與總線連接。SDA和SCL引腳集成了尖峰抑制濾波器和施密特觸發(fā)器，可減少輸入尖峰和總線噪聲的影響。支持快速（1kHz至400kHz）和高速（1kHz至3.4MHz）模式的傳輸協(xié)議。

串行總線地址

TMP435的地址為4Ch（1001100b），支持九個(gè)從設(shè)備地址，可通過(guò)A1和A0引腳進(jìn)行設(shè)置。

讀寫(xiě)操作

訪問(wèn)TMP435的特定寄存器時(shí)，需要先將適當(dāng)?shù)闹祵?xiě)入指針寄存器，以確定讀寫(xiě)操作的目標(biāo)寄存器。讀操作時(shí)，TMP435會(huì)根據(jù)指針寄存器的值返回相應(yīng)的寄存器數(shù)據(jù)。

八、報(bào)警功能

THERM和ALERT/THERM2引腳

TMP435有兩個(gè)專(zhuān)門(mén)用于報(bào)警功能的引腳，即THERM和ALERT/THERM2引腳。這兩個(gè)引腳均為開(kāi)漏輸出，需要上拉電阻連接到V+。

THERM引腳

當(dāng)測(cè)量的本地或遠(yuǎn)程溫度超出相應(yīng)的THERM限制寄存器中編程的溫度范圍時(shí)，THERM引腳會(huì)拉低。當(dāng)測(cè)量溫度回到THERM溫度限制范圍減去滯回值時(shí)，THERM報(bào)警會(huì)自動(dòng)復(fù)位。

ALERT/THERM2引腳

該引腳可配置為ALERT或THERM2功能。當(dāng)配置為ALERT時(shí)，當(dāng)測(cè)量的本地或遠(yuǎn)程溫度違反相應(yīng)的溫度高/低限制寄存器設(shè)置的范圍時(shí)，引腳會(huì)拉低。該報(bào)警功能可以配置為僅在連續(xù)多次違反范圍時(shí)才觸發(fā)，以防止環(huán)境噪聲引起的誤報(bào)警。當(dāng)配置為T(mén)HERM2時(shí)，其功能與THERM類(lèi)似，但使用本地/遠(yuǎn)程溫度高限制寄存器中的溫度來(lái)設(shè)置比較范圍。

SMBus警報(bào)功能

TMP435支持SMBus警報(bào)功能。當(dāng)ALERT引腳被配置為警報(bào)輸出時(shí)，若主設(shè)備檢測(cè)到ALERT線上的警報(bào)條件，會(huì)發(fā)送SMBus警報(bào)命令。如果TMP435的ALERT引腳處于活動(dòng)狀態(tài)，設(shè)備會(huì)響應(yīng)該命令并返回其從設(shè)備地址。

九、其他特性

關(guān)機(jī)模式

TMP435的關(guān)機(jī)模式可通過(guò)配置寄存器1的SD位啟用。當(dāng)SD位為高時(shí)，設(shè)備立即關(guān)閉，除串行接口外的所有電路停止工作，電流消耗通常小于3μA。當(dāng)SD位為低時(shí)，設(shè)備恢復(fù)連續(xù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)。

傳感器故障檢測(cè)

TMP435能夠檢測(cè)DXP輸入的故障，如二極管連接不正確或開(kāi)路。檢測(cè)電路由電壓比較器組成，當(dāng)DXP電壓超過(guò)（V+） - 0.6V（典型值）時(shí)，比較器會(huì)觸發(fā)。若檢測(cè)到故障，會(huì)使用最后一次有效的測(cè)量溫度作為測(cè)量結(jié)果，并設(shè)置狀態(tài)寄存器的OPEN位為高。

欠壓鎖定

TMP435能夠檢測(cè)電源電壓是否達(dá)到ADC正常工作的最低電壓水平。當(dāng)電源電壓超過(guò)2.45V（典型值）時(shí)，檢測(cè)電路會(huì)使能ADC。若電源無(wú)效，TMP435不會(huì)進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，而是使用最后一次有效的測(cè)量溫度作為結(jié)果。

通用呼叫復(fù)位

TMP435支持通過(guò)兩線通用呼叫地址00h（0000 0000b）進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)接收到通用呼叫地址并響應(yīng)第二個(gè)字節(jié)為06h（0000 0110b）時(shí)，TMP435會(huì)執(zhí)行軟件復(fù)位，恢復(fù)所有寄存器的上電復(fù)位狀態(tài)，中止正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換，并清除ALERT和THERM引腳。

十、設(shè)計(jì)考慮

濾波

由于遠(yuǎn)程結(jié)溫度傳感器通常在嘈雜的環(huán)境中工作，TMP435在DXP和DXN輸入上內(nèi)置了65kHz濾波器，以減少噪聲的影響。此外，還可以使用差分低通濾波器來(lái)進(jìn)一步衰減不需要的耦合信號(hào)。建議電容值保持在0pF至2200pF之間，串聯(lián)電阻小于1kΩ。

遠(yuǎn)程傳感

TMP435可與離散晶體管或內(nèi)置在處理器芯片和ASIC中的襯底晶體管配合使用。在選擇離散晶體管作為遠(yuǎn)程溫度傳感器時(shí)，應(yīng)滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)，如基極 - 發(fā)射極電壓在特定電流和溫度下的范圍、基極電阻以及hFE的控制等。

測(cè)量精度與熱考慮

TMP435的溫度測(cè)量精度取決于溫度傳感器與被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)點(diǎn)的熱接觸情況。本地溫度傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備周?chē)沫h(huán)境空氣，熱時(shí)間常數(shù)約為2秒。同時(shí)，TMP435的內(nèi)部功耗可能會(huì)導(dǎo)致溫度上升，需要在設(shè)計(jì)時(shí)考慮這一因素。

布局考慮

為了減少I(mǎi)C輸入的噪聲，布局時(shí)應(yīng)遵循以下原則：

• 將TMP435盡可能靠近遠(yuǎn)程結(jié)傳感器放置。
• 將DXP和DXN走線相鄰布置，并使用接地保護(hù)走線屏蔽它們，避免相鄰信號(hào)的干擾。
• 盡量減少銅 - 焊料連接產(chǎn)生的額外熱電偶結(jié)，確保DXP和DXN連接中的銅 - 焊料連接數(shù)量和位置相同，以消除熱電偶效應(yīng)。
• 在TMP435的V+和GND之間直接使用0.1μF的本地旁路電容，將DXP和DXN之間的濾波電容最小化至2200pF或更低。
• 當(dāng)遠(yuǎn)程溫度傳感器與TMP435的連接小于8英寸時(shí)，使用雙絞線連接；超過(guò)8英寸時(shí)，使用屏蔽雙絞線，并將屏蔽層盡可能靠近TMP435接地。
• 徹底清潔TMP435引腳周?chē)膮^(qū)域，去除所有助焊劑殘留物，以避免因泄漏路徑導(dǎo)致的溫度偏移讀數(shù)。

TMP435是一款功能強(qiáng)大、性能優(yōu)越的溫度傳感器，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。作為電子工程師，在設(shè)計(jì)中合理使用TMP435，并充分考慮其各種特性和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，能夠提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。大家在使用TMP435的過(guò)程中，有沒(méi)有遇到過(guò)什么問(wèn)題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。