深入解析ADM1021A：低功耗、高精度溫度監(jiān)測芯片詳解

在個(gè)人計(jì)算機(jī)及其他需要進(jìn)行熱監(jiān)測和管理的系統(tǒng)中，溫度監(jiān)測至關(guān)重要。ADM1021A作為一款出色的雙通道數(shù)字溫度計(jì)和欠/過溫警報(bào)器，為我們的設(shè)計(jì)帶來了諸多便利。下面我就結(jié)合多年的設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，和大家深入探討一下這款芯片。

文件下載：ADM1021ARQ.pdf

器件概述

ADM1021A能夠使用二極管連接的PNP晶體管測量微處理器的溫度，并且無需校準(zhǔn)。它有兩個(gè)測量通道，一個(gè)用于測量遠(yuǎn)程溫度（如微處理器的溫度），另一個(gè)用于測量芯片自身及環(huán)境的溫度。該芯片通過與SMBus標(biāo)準(zhǔn)兼容的兩線串行接口進(jìn)行通信，用戶可以通過串行總線對欠/過溫限制進(jìn)行編程，當(dāng)片內(nèi)或遠(yuǎn)程溫度超出范圍時(shí)，ALERT輸出會發(fā)出信號。

特性亮點(diǎn)

溫度傳感與精度

ADM1021A具備片內(nèi)和遠(yuǎn)程溫度傳感功能。其片內(nèi)傳感器精度可達(dá)1°C，遠(yuǎn)程傳感器精度為3°C，能滿足大多數(shù)應(yīng)用場景對溫度測量精度的要求。而且采用的新型測量技術(shù)可抵消晶體管基極發(fā)射極電壓的絕對值，無需進(jìn)行校準(zhǔn)，大大減輕了工程師的調(diào)試負(fù)擔(dān)。

可編程特性

它支持可編程的過/欠溫限制和轉(zhuǎn)換速率。用戶可以根據(jù)實(shí)際需求靈活調(diào)整這些參數(shù)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

電氣特性

在電氣方面，ADM1021A的最大工作電流為200μA，待機(jī)電流僅1μA，功耗較低，適用于對功耗敏感的應(yīng)用。其供電電壓范圍為3.0V至5.5V，能適應(yīng)多種電源環(huán)境。此外，它采用16引腳的QSOP小型封裝，節(jié)省電路板空間。

引腳與參數(shù)

引腳分配

ADM1021A的引腳分配明確，像VDD為正電源引腳，電壓范圍在3.0V至5.5V；D+和D-分別連接遠(yuǎn)程溫度傳感器的正負(fù)端；ALERT為開漏邏輯輸出，可作為中斷或SMBus警報(bào)；SDATA和SCLK則是SMBus的串行數(shù)據(jù)和串行時(shí)鐘引腳等。

絕對最大額定值

了解器件的絕對最大額定值很重要，例如正電源電壓（VDD）相對于GND的范圍是 - 0.3V至 + 6.0V，輸入電流最大為±50mA等。超出這些額定值可能會損壞器件，因此在設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)格遵守。

熱特性與電氣特性

其16引腳QSOP封裝的熱阻（θJA）為105°C/W。在電氣特性方面，溫度分辨率保證無漏碼，為1.0°C；不同條件下，本地和遠(yuǎn)程傳感器的溫度誤差也有相應(yīng)的規(guī)定。

功能描述

溫度測量與轉(zhuǎn)換

芯片內(nèi)部包含一個(gè)雙通道A - D轉(zhuǎn)換器，在正常工作時(shí)，A - D轉(zhuǎn)換器以自由運(yùn)行模式工作。模擬輸入多路復(fù)用器會交替選擇片內(nèi)溫度傳感器或遠(yuǎn)程溫度傳感器，將信號數(shù)字化后存儲在本地和遠(yuǎn)程溫度值寄存器中。

比較與報(bào)警

測量結(jié)果會與存儲在片內(nèi)四個(gè)寄存器中的本地和遠(yuǎn)程高、低溫限制進(jìn)行比較。當(dāng)出現(xiàn)超出限制的情況時(shí)，會在狀態(tài)寄存器中生成標(biāo)志，若有一個(gè)或多個(gè)超出限制的結(jié)果，ALERT輸出將拉低。

控制與配置

通過串行系統(tǒng)管理總線（SMBus），可以對限制寄存器進(jìn)行編程，以及對器件進(jìn)行控制和配置。例如，可切換器件的正常運(yùn)行和待機(jī)模式、屏蔽或啟用ALERT輸出、選擇轉(zhuǎn)換速率等。

測量方法

傳統(tǒng)測量溫度的方法利用二極管或晶體管基極 - 發(fā)射極電壓的負(fù)溫度系數(shù)，但需要校準(zhǔn)以消除(V{BE})絕對值的影響。而ADM1021A采用的方法是在兩個(gè)不同電流下測量(V{BE})的變化，通過公式(Delta V_{BE}=kT / q × ln (N))計(jì)算溫度。這種方法有效避免了校準(zhǔn)的麻煩，還能提高測量的準(zhǔn)確性。外部傳感器信號經(jīng)處理后，先通過65kHz低通濾波器去除噪聲，再經(jīng)過斬波穩(wěn)定放大器進(jìn)行放大和整流，最后由ADC測量并輸出溫度數(shù)據(jù)。為進(jìn)一步降低噪聲影響，還會對16個(gè)測量周期的結(jié)果進(jìn)行平均。

與ADM1021的差異

ADM1021A與ADM1021引腳兼容，但存在一些差異：

1. 電流差異：ADM1021A通過遠(yuǎn)程溫度傳感二極管的電流更大，這提高了器件的抗噪能力，但也導(dǎo)致其工作電流高于ADM1021。
2. 測量范圍：ADM1021A的溫度測量范圍為0°C至127°C，而ADM1021為 - 128°C至 + 127°C。如果需要測量負(fù)溫度，應(yīng)選擇ADM1021。
3. 寄存器值：兩者在復(fù)位值、修訂寄存器和地址指針寄存器的默認(rèn)值等方面存在不同，在使用時(shí)需要注意這些差異。

寄存器介紹

地址指針寄存器

它沒有獨(dú)立地址，每次寫操作的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)會自動寫入該寄存器，用于設(shè)置后續(xù)操作的寄存器地址。

值寄存器

包括本地和遠(yuǎn)程溫度值寄存器，由ADC寫入數(shù)據(jù)，只能通過SMBus讀取。

狀態(tài)寄存器

其中的一些位用于指示ADC的轉(zhuǎn)換狀態(tài)和溫度限制比較結(jié)果。當(dāng)本地和/或遠(yuǎn)程溫度超出限制或遠(yuǎn)程傳感器開路時(shí)，相應(yīng)的標(biāo)志位會被設(shè)置，讀取狀態(tài)寄存器可清除這些標(biāo)志位。

配置寄存器

用于控制器件的工作模式（正常或待機(jī)）和屏蔽ALERT輸出。

轉(zhuǎn)換速率寄存器

通過最低三位對轉(zhuǎn)換速率進(jìn)行編程，可選擇不同的轉(zhuǎn)換時(shí)間，從而降低器件功耗。

限制寄存器

用于存儲本地和遠(yuǎn)程的高、低溫限制，可通過SMBus進(jìn)行讀寫操作。

偏移寄存器

用戶可通過該寄存器消除遠(yuǎn)程溫度測量中的誤差，例如由時(shí)鐘噪聲和PCB走線電阻引入的誤差。

單次寄存器

在待機(jī)模式下，對該寄存器進(jìn)行寫操作可啟動一次單次轉(zhuǎn)換和比較周期，操作完成后器件返回待機(jī)模式。

串行總線接口

地址設(shè)置

ADM1021A有兩個(gè)地址引腳ADD0和ADD1，可選擇不同的器件地址，最多能實(shí)現(xiàn)九個(gè)不同地址，以滿足多個(gè)設(shè)備共用總線的需求。需要注意的是，地址引腳的狀態(tài)僅在上電時(shí)采樣，上電后更改無效。

通信協(xié)議

• 起始條件：主設(shè)備通過在串行數(shù)據(jù)線上產(chǎn)生高到低的轉(zhuǎn)換，同時(shí)串行時(shí)鐘線保持高電平來啟動數(shù)據(jù)傳輸。
• 數(shù)據(jù)傳輸：數(shù)據(jù)以九個(gè)時(shí)鐘脈沖為一組進(jìn)行傳輸，包括八個(gè)數(shù)據(jù)位和一個(gè)從設(shè)備的確認(rèn)位。
• 停止條件：寫操作和讀操作的停止條件有所不同，但都是通過對數(shù)據(jù)線的高低電平控制來實(shí)現(xiàn)。

在設(shè)計(jì)使用ADM1021A時(shí)，你是否也遇到過一些小挑戰(zhàn)呢？我們可以在評論區(qū)一起交流探討，分享解決問題的經(jīng)驗(yàn)，讓我們的設(shè)計(jì)更加完美。