在无线温度传感器的能量收集设计中添加温度测量功能
来源: 电子发烧友    发布时间: 2019-03-26 10:25   101 次浏览   大小:  16px  14px  12px
在无线温度传感器的能量收集设计中添加温度测量功能

  温度监测在广泛的应用中发挥着重要作用。对于电子系统,高于或低于规格的温度会影响电路和系统的标称性能。除了这些传统的热管理应用之外,温度测量已从偶然的系统监控功能转变为物联网(IoT)等应用的核心功能。在这里,无线温度传感器依靠能量收集技术来为传感器数据的测量和无线传输提供功率。对于这些低功耗设计,工程师可以找到ADI公司,Maxim Integrated公司,Microchip Technology公司和德州仪器公司等公司提供的集成传感器IC。

  对于一般的温度测量应用,工程师可以从各种温度传感器中进行选择包括热电偶,RTD,热敏电阻和IC传感器。热电偶通常用于高温传感; RTD适用于较低的温度范围;和热敏电阻是精确检测窄温度范围的首选传感器。每种类型都可以为大多数应用提供足够精确的测量,但是工程师面临着产生可靠,准确的温度数据的一系列挑战。

  温度测量

  对于设计人员来说,实现传感器应用需要构建信号调理电路为下游应用提供合适的数据。通常,信号调理电路需要在信号路径中包括放大器,滤波器,比较器,电压基准和ADC。此外,根据传感器类型,设计人员需要解决冷温补偿,提供电流或电压激励源,并管理查找表以进行线性化(图1)。

  在无线温度传感器的能量收集设计中添加温度测量功能图1:使用传统的温度传感器进行设计,工程师需要满足激励和加载的传感器要求,并构建一个能够将非线性传感器值转换为精确温度数据的信号链(由Maxim Integrated提供)。虽然广泛的复杂这些器件可用于复杂的系统级温度监控操作,工程师可以找到更多基本的温度传感器IC。这些器件专为温度测量而设计,通过将片上温度传感器与集成信号调理电路相结合,简化了设计,无需设计人员在简单的传感器应用中解决信号调理和数据转换的关键细节问题。这些集成器件具有模拟或数字输出,包括在宽温度范围内产生精确线性输出所需的所有信号处理功能。这些器件通常可以降低传感器的总体功耗要求,并且通常提供采用能量采集技术的无线传感器设计所需的极低功耗模式。

  德州仪器LM74温度传感器集成了带隙温度传感器和12位ΔΣADC,带有相关的控制逻辑,寄存器和SPI兼容的三线串行接口(图2)。默认情况下,器件以连续转换模式上电,

  消耗265μA(典型值)在无线温度传感器的能量收集设计中添加温度测量功能图2:IC温度传感器通过在芯片上集成传感器,调节和转换电路简化了温度传感应用的设计(由德州仪器公司提供)。但是,因为特别是温度传感应用只需要定期采样,工程师可以将LM74置于低功耗关断模式,其功耗低于10μA(3.3 V时DSBGA封装的典型值为3μA,5 V时SOIC封装的典型值为8μA)。在此模式下,串行接口保持活动状态,并且器件在其内部寄存器中保留最新的温度读数。因此,工程师可以调出LM74,完成温度读数,并将器件恢复到关断模式。在任何时候,包括在关机模式期间,单独的MCU都可以使用串行接口来收集最新的温度数据。

  多样的配置

  工程师可以找到各种各样的IC温度传感器,它们集成了完整的不同分区信号链(再次参见图1),以及提供附加功能的信号链。 ADI公司的AD22100提供完整的模拟信号链,无需额外的模拟电路进行微调,缓冲或线性化。使用这种类型的器件,工程师必须提供单独的转换功能,通常依赖于带集成ADC的MCU。

彩客网  AD22100提供比例输出,其输出电压与器件电源电压的温度成正比:输出电压当器件由+5.0 V单电源供电时,在-50°C时从0.25 V摆动至+ 150°C时+ 4.75 V。使用比率传感器简化了ADC的使用,因为相同的电源可以作为ADC的参考,无需单独的,昂贵的精密电压基准(图3)。

  在无线温度传感器的能量收集设计中添加温度测量功能图3:ADI公司的AD22100是比例温度传感器IC,允许为AD22100和ADC参考电压使用相同的+5 V电源,无需单独的精密电压基准(由Analog Devices提供)。电源电压的微小变化影响不大,因为AD22100和ADC都使用电源作为参考。对于基于集成MCU的典型能量收集应用,工程师可以类似地使用MCU集成ADC,而无需精确的电压基准,尽管可能需要一个简单的RC滤波器来提供对高速尖峰的免疫力。 MCU ADC输入引脚。

  同样,Microchip Technology MCP9700系列为温度测量提供了简单的解决方案。基于Microchip的线性有源热敏电阻技术,传感器IC系列依赖于内部二极管的温度依赖性来产生与温度相关的输出电压电平。内部二极管的温度系数导致输出电压与-40°至150°C的相对环境温度相关。对于MCP9700,该温度范围内的电压变化可以调整到10.0 mV/°C(典型值)的温度系数。虽然可以使用高度复杂的热管理IC,但大多数都提供针对大型系统监控的功能,超出典型无线传感器设计所需的范围。然而,即使是简单的温度传感应用也可能存在超出设计极限的温度偏移运行的风险。对于这些应用,设计人员可以选择德州仪器(TI)LM75A等温度传感器IC,它们提供热监视器功能,而无需更复杂的热监控设备的开销。

  工程师可以使用LM75A等设备测量温度,但在发生过温情况时也会禁用敏感电路。同样,Microchip Technology TCN75A不仅可以让设计人员测量温度,还可以监控温度超过设定阈值时触发的报警输出信号。

  温度传感器IC可以显着简化温度测量应用的实现。另一方面,它们使用片上温度传感器意味着如果最佳热路径通过其引脚,则器件的测量结果最终反映其安装的PCB的温度(甚至器件芯片本身)。因此,制造商通常建议使用塑料封装的部件,因为塑料在传感器和PCB之间起到更有效的热绝缘体的作用。为了更加隔离,工程师可以将传感器IC安装在一个密封的导热外壳中,放置在感兴趣的环境中。

  对于需要完全隔离热测量的应用,工程师仍然可以找到集成完整信号链的设备但依靠外部传感器。 Maxim Integrated MAX6682和MAX6674分别使用外部热敏电阻和热电偶产生数字温度数据。设计人员只需将器件的输入连接到适当的温度传感器,并将器件的SPI兼容三线输出连接到MCU,即可实现完整的温度传感器(图4)。

  在无线温度传感器的能量收集设计中添加温度测量功能图4:无法使用集成温度传感器的应用可以转向集成IC,例如Maxim Integrated MAX6682和MAX6674,它们集成了完整的信号链,但分别依赖于外部热敏电阻和热电偶(由Maxim Integrated提供)。 》总结温度传感器IC为基本的温度测量应用提供简单的低功耗解决方案。通过将片上温度传感器与完整信号链的模拟甚至数字级集成,这些器件可将温度测量结果作为电压输出或最终数字值。利用可用的集成传感器IC,工程师可以轻松地为采用能量收集技术的低功耗无线传感器设计添加温度测量功能。

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