ON Semiconductor ADM1023：高精度微處理器系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)器的卓越之選

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，溫度監(jiān)測(cè)是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。ON Semiconductor推出的ADM1023作為一款ACPI兼容的高精度微處理器系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)器，為我們提供了出色的解決方案。今天，就讓我們深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

ADM1023是ADM1021的下一代升級(jí)版，具有諸多強(qiáng)大的特性。它具備片上和遠(yuǎn)程溫度傳感功能，擁有用于系統(tǒng)校準(zhǔn)的偏移寄存器。在本地通道上，它能實(shí)現(xiàn)1°C的精度和分辨率；在遠(yuǎn)程通道上，分辨率可達(dá)0.125°C，精度為1°C。同時(shí)，它還支持可編程的過(guò)/欠溫度限制和轉(zhuǎn)換速率，以及系統(tǒng)管理總線(xiàn)（SMBus）ALERT功能，采用2線(xiàn)SMBus串行接口，功耗低，工作電流最大為200 μA（0.25次轉(zhuǎn)換/秒），待機(jī)電流僅1 μA，供電范圍為3 V至5.5 V，采用小巧的16引腳QSOP封裝。

其應(yīng)用場(chǎng)景廣泛，涵蓋了臺(tái)式計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、智能電池、工業(yè)控制器、電信設(shè)備和儀器儀表等領(lǐng)域。

二、技術(shù)規(guī)格

（一）電氣參數(shù)

在供電和ADC方面，本地傳感器溫度分辨率為1°C，遠(yuǎn)程傳感器溫度分辨率為0.125°C。本地傳感器在不同溫度范圍下的溫度誤差有所不同，TA = 60°C至100°C時(shí)，誤差為±0.5°C；TA = 0°C至120°C時(shí)，誤差為±3°C。遠(yuǎn)程傳感器在TA, TD = 60°C至100°C時(shí)，誤差為±1°C；TA, TD = 0°C至120°C時(shí)，誤差為±3°C。相對(duì)精度在TA = 60°C至100°C時(shí)為0.25°C。

供電電壓范圍為3 V至3.6 V，欠壓鎖定閾值為2.55 V至2.8 V，欠壓鎖定遲滯為25 mV，上電復(fù)位閾值為0.9 V至2.2 V，POR閾值遲滯為50 mV。

（二）絕對(duì)最大額定值

正電源電壓（Voo）到GND的范圍是 -0.3V至 +6V，D+、ADD0、ADD1的范圍是 -0.3 V至VDD + 0.3V，D - 到GND的范圍是 -0.3 V至 +0.6V，SCLK、SDATA、ALERT、STBY的范圍是 -0.3V至 +6V。輸入電流最大為±50 mA，D - 的輸入電流最大為±1 mA。所有引腳的ESD額定值（人體模型）為2000V。

（三）熱特性

16引腳QSOP封裝的熱阻參數(shù)為：(theta{JA}=105^{circ} C / W)，(theta{IC}=39^{circ} C / W)。

三、引腳配置與功能

（一）引腳配置

ADM1023采用16引腳QSOP封裝，各引腳具有不同的功能。例如，VDD為正電源引腳，范圍為3 V至5.5 V；D+為遠(yuǎn)程溫度傳感器的正連接引腳，D - 為負(fù)連接引腳；ADD0和ADD1為三態(tài)邏輯輸入引腳，用于選擇設(shè)備地址；ALERT為開(kāi)漏邏輯輸出引腳，可作為中斷或SMBus ALERT使用；STBY為邏輯輸入引腳，用于選擇正常操作（高電平）或待機(jī)模式（低電平）。

（二）功能描述

該設(shè)備包含一個(gè)雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），通過(guò)特殊的輸入信號(hào)調(diào)理，能夠與遠(yuǎn)程和片上二極管溫度傳感器配合工作。正常運(yùn)行時(shí)，ADC以自由運(yùn)行模式工作，模擬輸入多路復(fù)用器會(huì)交替選擇片上溫度傳感器測(cè)量本地溫度或遠(yuǎn)程溫度傳感器。測(cè)量結(jié)果會(huì)存儲(chǔ)在本地和遠(yuǎn)程溫度值寄存器中。

為了消除遠(yuǎn)程通道測(cè)量中的誤差，提供了兩個(gè)偏移寄存器（Address 0x11和Address 0x12）。測(cè)量結(jié)果會(huì)與存儲(chǔ)在片上六個(gè)極限寄存器中的本地和遠(yuǎn)程高低溫度限制進(jìn)行比較，超出限制的比較結(jié)果會(huì)產(chǎn)生標(biāo)志并存儲(chǔ)在狀態(tài)寄存器中，一個(gè)或多個(gè)超出限制的結(jié)果會(huì)使ALERT輸出拉低。

四、工作原理

（一）測(cè)量方法

ADM1023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)來(lái)測(cè)量溫度。它通過(guò)在兩種不同的集電極電流下操作設(shè)備，測(cè)量VBE的變化來(lái)獲取溫度，公式為(Delta V{B E}=frac{n K T}{q} × ln (N))。測(cè)量得到的波形會(huì)經(jīng)過(guò)低通濾波器去除噪聲，再通過(guò)斬波穩(wěn)定放大器進(jìn)行放大和整流，產(chǎn)生與(Delta V{BE})成比例的直流電壓，最后由ADC測(cè)量并以二進(jìn)制格式輸出溫度。為了進(jìn)一步減少噪聲影響，會(huì)對(duì)16個(gè)測(cè)量周期的結(jié)果進(jìn)行平均。

（二）誤差來(lái)源

在熱晶體管測(cè)量方法中，理想因子（n）和β值會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響。對(duì)于采用亞微米工藝的熱晶體管，如奔騰III處理器上的襯底PNP晶體管，n值的變化會(huì)導(dǎo)致溫度誤差。ADM1023在計(jì)算溫度時(shí)會(huì)考慮理想因子，當(dāng)n值偏離典型值1.008時(shí)，會(huì)產(chǎn)生溫度誤差。β值的變化小于1%時(shí)，對(duì)溫度誤差的貢獻(xiàn)小于0.4°C。

五、寄存器功能

ADM1023包含多個(gè)寄存器，用于存儲(chǔ)遠(yuǎn)程和本地溫度測(cè)量結(jié)果、高低溫度限制，以及配置和控制設(shè)備。

（一）地址指針寄存器

它是每次寫(xiě)操作的第一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)自動(dòng)寫(xiě)入的寄存器，用于設(shè)置其他寄存器，以便進(jìn)行后續(xù)的寫(xiě)操作或讀操作。

（二）值寄存器

有三個(gè)寄存器用于存儲(chǔ)本地和遠(yuǎn)程溫度測(cè)量結(jié)果，由ADC寫(xiě)入，只能通過(guò)SMBus讀取。

（三）偏移寄存器

位于Address 0x11和Address 0x12，用于消除遠(yuǎn)程溫度測(cè)量值中的誤差，可接受 -128.875°C至 +127.875°C的值。

（四）狀態(tài)寄存器

其第7位表示ADC是否正在轉(zhuǎn)換，第6至3位為極限比較結(jié)果的標(biāo)志位，第2位表示遠(yuǎn)程傳感器是否開(kāi)路。這些標(biāo)志位在狀態(tài)寄存器被讀取或通過(guò)POR復(fù)位時(shí)會(huì)被清除。

（五）配置寄存器

第6位用于選擇設(shè)備的運(yùn)行模式（運(yùn)行或待機(jī)），第7位用于屏蔽或啟用ALERT輸出。

（六）轉(zhuǎn)換速率寄存器

最低三位用于編程轉(zhuǎn)換速率，通過(guò)將ADC時(shí)鐘除以1、2、4、8、16、32、64或128來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)換時(shí)間，從而大大降低設(shè)備的功耗。

（七）極限寄存器

有六個(gè)極限寄存器用于存儲(chǔ)本地和遠(yuǎn)程的高低溫度限制，可通過(guò)SMBus進(jìn)行讀寫(xiě)操作。

（八）單觸發(fā)寄存器

用于在ADM1023處于待機(jī)模式時(shí)啟動(dòng)單次轉(zhuǎn)換和比較周期，之后設(shè)備返回待機(jī)狀態(tài)。

六、串行總線(xiàn)接口

ADM1023通過(guò)串行總線(xiàn)進(jìn)行控制，作為從設(shè)備連接到總線(xiàn)上，由主設(shè)備控制。其SMBus SDA和SCLK引腳在設(shè)備掉電時(shí)為三態(tài)，不會(huì)拉低SMBus。

設(shè)備有兩個(gè)地址引腳ADD0和ADD1，通過(guò)不同的狀態(tài)組合可以選擇九個(gè)不同的設(shè)備地址，以避免與其他設(shè)備沖突。地址引腳的狀態(tài)僅在上電時(shí)采樣，上電后更改無(wú)效。

數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)串行總線(xiàn)進(jìn)行，主設(shè)備通過(guò)建立起始條件發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)以九個(gè)時(shí)鐘脈沖為一組進(jìn)行發(fā)送，包括8位數(shù)據(jù)和1位確認(rèn)位。讀寫(xiě)操作有不同的流程，寫(xiě)操作包含一或兩個(gè)字節(jié)，讀操作包含一個(gè)字節(jié)。

七、ALERT輸出

ALERT輸出在檢測(cè)到超出限制的測(cè)量結(jié)果或遠(yuǎn)程溫度傳感器開(kāi)路時(shí)會(huì)拉低，它是開(kāi)漏輸出，需要一個(gè)10 kΩ的上拉電阻連接到VDD。多個(gè)ALERT輸出可以進(jìn)行線(xiàn)與連接，當(dāng)其中一個(gè)或多個(gè)輸出拉低時(shí)，公共線(xiàn)會(huì)拉低。

ALERT輸出可以作為處理器的中斷信號(hào)，也可以作為SMBALERT使用。當(dāng)SMBALERT線(xiàn)被拉低時(shí)，主設(shè)備會(huì)發(fā)起讀取操作，發(fā)送警報(bào)響應(yīng)地址（ARA），響應(yīng)的設(shè)備會(huì)返回其設(shè)備地址，之后主設(shè)備可以對(duì)其進(jìn)行詢(xún)問(wèn)。

八、低功耗待機(jī)模式

ADM1023可以通過(guò)硬件（將STBY輸入拉低）或軟件（設(shè)置配置寄存器的第6位）進(jìn)入低功耗待機(jī)模式。在待機(jī)模式下，ADC被禁止，任何正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換會(huì)終止，且不會(huì)將結(jié)果寫(xiě)入相應(yīng)的值寄存器，SMBus仍然啟用。

當(dāng)STBY為低電平時(shí)，轉(zhuǎn)換完全被禁止；當(dāng)?shù)?位被設(shè)置，但STBY為高電平時(shí)，可以通過(guò)向單觸發(fā)寄存器（Address 0x0F）寫(xiě)入任何數(shù)據(jù)值來(lái)啟動(dòng)兩個(gè)通道的單次轉(zhuǎn)換。

九、傳感器故障檢測(cè)

ADM1023在D+輸入處有一個(gè)故障檢測(cè)器，用于檢測(cè)外部傳感器二極管是否開(kāi)路。當(dāng)D+處的電壓超過(guò)VCC - 1 V（典型值）時(shí)，比較器會(huì)觸發(fā)，并設(shè)置狀態(tài)寄存器的第2位。

如果遠(yuǎn)程傳感器電壓低于正常測(cè)量范圍，ADC會(huì)輸出 -128°C（1000 0000 000），這可以被解釋為故障條件。與一些競(jìng)爭(zhēng)設(shè)備不同，ADM1023不會(huì)將真正的0°C測(cè)量誤判為故障條件。

十、應(yīng)用相關(guān)

（一）影響精度的因素

1. 遠(yuǎn)程傳感二極管

ADM1023可以與處理器內(nèi)置的襯底晶體管或分立晶體管配合使用。選擇分立晶體管時(shí)，應(yīng)考慮基極發(fā)射極電壓、基極電阻和(h_{fe})的變化等因素，以確保最佳精度。

2. 熱慣性和自熱

精度取決于遠(yuǎn)程傳感二極管和/或內(nèi)部溫度傳感器與被測(cè)量部分的溫度一致性。遠(yuǎn)程傳感器通常不會(huì)有問(wèn)題，而片上傳感器可能會(huì)受到熱慣性的影響，不過(guò)由于封裝與印刷電路板的電氣和熱連接，自熱引起的溫度上升可以忽略不計(jì)。

（二）布局考慮

在數(shù)字電路板上，ADM1023測(cè)量的是來(lái)自遠(yuǎn)程傳感器的非常小的電壓，因此需要采取措施最小化傳感器輸入處的噪聲。例如，將ADM1023盡可能靠近遠(yuǎn)程傳感二極管放置，將D+和D - 軌道緊密并行布線(xiàn)，并在兩側(cè)設(shè)置接地保護(hù)軌道，使用寬軌道以減少電感和噪聲拾取，盡量減少銅/焊點(diǎn)的數(shù)量，在VDD引腳附近放置0.1 μF的旁路電容，在D+、D - 兩端靠近ADM1023處放置1000 pF的輸入濾波電容等。

（三）應(yīng)用電路

文檔中給出了典型的應(yīng)用電路，包括使用分立傳感器晶體管通過(guò)屏蔽雙絞線(xiàn)電纜連接的電路，以及ADM1023與I/O控制器集成到系統(tǒng)中的電路。

十一、總結(jié)

ADM1023作為一款高性能的溫度監(jiān)測(cè)器，具有高精度、低功耗、多種功能和靈活的配置選項(xiàng)，適用于各種需要溫度監(jiān)測(cè)和管理的應(yīng)用場(chǎng)景。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們需要充分考慮其技術(shù)規(guī)格、引腳配置、工作原理、寄存器功能、總線(xiàn)接口等方面，同時(shí)注意影響精度的因素和布局考慮，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。你在實(shí)際應(yīng)用中是否遇到過(guò)類(lèi)似的溫度監(jiān)測(cè)問(wèn)題？又是如何解決的呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)。