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使用Silego GreenPak构建温度传感系统

2017年10月11日通过Tijana Uzelac, Silego科技公司

在这个项目中，我们将测试Silego GreenPak如何用于构建温度传感系统。

这个实验的目的是测试GreenPAK设备在温度传感应用程序中的可用性，特别是对于温度域为25°C到100°C的CPU处理器。该温度传感系统使用一个远程温度传感器2N3904(二极管连接)和在GreenPAK设备中实现的控制逻辑。目标是使用SLG46537芯片实现+/- 1°C的内部温度精度。

图1所示。实现两电流方法的温度传感器的应用电路

理论

现行的两个方法

双电流方法是使用两个电流源，二极管，电容器和FET开关的电压减法方法（参见图1）。它旨在放大由两个不同电流I_L和I_H引起的二极管上的电压差。

二极管的正向电压基于二极管的电流诱导的电子字段变化。通过在两个已知电流下减去前向电压，我们可以消除常见变量，例如偏移和饱和电流。正向偏置电流，我_D，与饱和电流I有关_年代正向电压V_D由方程:

我_D=我_年代e^V_D/ηv._T

在哪里η.二极管的理想系数是和吗V_T= kt / q。k玻尔兹曼常数和问是电子电荷常数。对于本例，I_H将是偏置电流I₁并且i_l将是偏见的我₂．正偏置电流方程分别为:

我₁=我_年代e^V₁/ηv._T 我₂=我_年代e^V₂/ηv._T

通过对两正向偏置电流方程进行除法，消除饱和电流，将输入电流变量减小为标量因子N．

^我₁⁄_我₂N = N^{(V₁-v.₂) /ηV_T}

如果N已知，那么通过测量V1和V2之间的差，我们可以计算温度T．

ln (N) = (V₁-v.₂q /(ηkT)

T = (V₁-v.₂) q /(η九龙及(N))

理想的因素η.

尽管k和问理想因子是常数而不是部分变化的吗η.在值1和2之间变化。这个值越接近1，载流子扩散就越占优势。这个值越接近2，重组就越占优势。这个值越高，温度测量的错误就越大，因为温度对复合很有影响，但对扩散没有影响。［1］

当选择一个远端温度二极管时，远端二极管连接的晶体管——基极集电极结短的bts——比整流二极管更好，因为它们的理想值是有规格的。几乎所有BJT晶体管的理想系数都接近1。

其他重要参数包括前向电流增益β和串联抵抗R_年代．正向电流增益随温度和集电极电流的变化而变化，串联电阻在所有温度下均呈现恒定偏置。建议选择一个设备β两个电流i_h和i_l之间不会变化。

实验电路

实验的目的是通过测试40°C、60°C和80°C这几个点来测量温度的偏差。

图2为实验中使用的应用电路框图。

图2。GPAK温度传感应用电路框图

电阻R3和R4从图1提供电流I_H和I_L。交换机NMOS和PMOS位于GreenPAK (pin13和pin15)内部。图3显示了GreenPAK的内部设计，并给出了该传感器的10ms更新时间。

图3。内部GPAK设计

当NMOS被拉低，PMOS处于浮动状态时，电容C4会充满I_L。当PMOS被拉高，NMOS漂浮时，C4充满I_H。系统的控制逻辑被编程为在NMOS和PMOS开启时间之间提供一个死区时间来得到C4上的电压差。

这个差值进入运算放大器的IN+输入(Silego 'sSLG88103)．图4显示了穿过C4的电压波形。

图4。C4的电压波形

GPAK器件的PIN 7连接到一个具有可变电阻的分压器(trimpot电位计)，该分压器在GPAK内部设计中用于调节模拟比较器ACMP0的开关电压。开关电压为pin7上的电压达到pin6上的电压(运放输出电压)的时刻。运算放大器的输出电压(以及ACMP0的开关电压)在不同的温度下是不同的。

因此，在实验中，P1的电阻被调节到开关时刻。根据测量的电位器P1的电阻，可以计算出ACMP0的开关电压(Vref)。

结果

GPAK引起的误差(温度测量精度)是通过测试多个设备(三个GPAK设备)的输出来测量的。只有一个不同组件(GPAK5器件)的三种传感器电路的测试结果记录在表1、2和3中，其中:

烘箱内的温度是用热电偶测量的。
用氟克多贝测量P1的电阻。
Vref值是根据P1的电阻值计算出来的。

表1. GPAK5_1

表2。GPAK5_2

表3。GPAK5_3

结果总结了图2中的图表。

图2。基于具有不同GPAK装置的三个传感器的测量图

图2示出了传感器2和3给出了在传感器1给出了非常接近传感器1的呈现线性趋势线的线路时重叠的线性图。

传感器2和3的图表的斜率以及传感器1的趋势线为1.7mV，每1°C（T = 40°C和T = 80°C）。三个GPAK器件测量值之间的最大差值为2mV。这意味着GPAK会在1°C左右引入零件之间的误差。

误差来源

模拟比较器

GreenPAK的设计表明，部分到部分的变化最有可能发生在模拟比较器组件(ACMP0)。的ACMP0在此应用程序的设计设置如下:

在+来源:pin6
IN-: Ext. Vref (pin7)
在+增益= 1
磁滞:禁用。

ACMP的偏置电压(以及由此产生的开关电压)随温度和电源电压而变化。实验的结论是基于测量GPAK样品的三分之一的统计分析。

作为一个典型的代表，我们可以使用Silego的ACMP偏移电压char数据，该数据基于一组35个组件在温度和电压下的测试。Ext.Vref=600mV和5V电源电压在室温下测量的组件ACMP偏移结果如表4所示。

表4

表4。ext.vref = 600mv_autopwr，35个组件，室温的ACMP偏移测试

Silego的Voffset计算基于下式:

V_抵消= max (| V_ref，ext.-v._ih| | V_ref，ext.-v._伊尔|) 数据精度+/- 0.2mV

基于35个元件的测试结果表明，ACMP偏移量可达4.366 mV，误差可达2.5°C。

2N3904组件

影响温度测量精度(远程精度)的晶体管参数是正向电流增益β(一)和串联电阻R_年代．基于Microchip实验室2N3904的数据，这些参数对整个传感器的源电流范围(4.5-920uA)的温度测量精度有很小的影响。［1］

图3显示了Microchip测试的晶体管的典型beta值，可以作为有限数量的2N3904晶体管的典型代表。［1］等式3由于在80℃下显示出约0.02℃的图表变化而产生温度误差。同样，使用Microchip的数据R_年代的集合2N3904(约0.7欧姆)与方程4给出了一个温度误差，由于Rs约0.8°C。［1］

图3。2N3904晶体管在23°C时的典型beta值(Microchip实验室数据)

OP-AMP考虑

SLG88103电压偏移通常为0.35mV (VCM接近VSS(地面)时高达2.4mV)，加上通常0.16mV (T=80°C)随温度增加偏移漂移。典型值引入了一个小的误差来自运放在这个应用程序。然而，考虑到SLG88103运算放大器的最大偏移值，可能会引入1°C以上的误差。

结论

实验中使用的温度传感系统输出增益为1.7 (mV/°C)。

基于三个GreenPAK设备样本的测试结果表明，仅在温度传感系统中实现GreenPAK会产生1°C左右的误差。

传感器的主要特征是基于实验结果，其中温度域为遥控器，而在实验期间将在室温下保持内部温度系统。要查看此项目的应用笔记和设计文件，请单击这里．

GreenPAK关键特性

温度域（25°C - 100°C）
准确性
±1°C远程温度精度(2N3904传感器精度)
±1.5°C内部温度精度
1.7 v - 5.5 v电源电压
10 ms的更新时间
1.7 (mV/°C)输出增益
29μ静态电流

来源

[1]遥感热传感二极管选择指南，SMSC AN12.14

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