學(xué)習(xí)路線解析:如何成為嵌入式高手
發(fā)布時(shí)間:2018-01-24 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】自集成電路出現(xiàn)以來,IC溫度傳感器一直是設(shè)備設(shè)計(jì)的一部分。設(shè)計(jì)人員想盡辦法減少溫度對芯片系統(tǒng)的影響,集成溫度傳感器已可輕松解決-55至200?C溫度范圍內(nèi)的大部分問題,而最新一代的溫度傳感器可以在0.76mm2的封裝內(nèi)達(dá)到±0.4?C的精度。
IC設(shè)計(jì)人員歷經(jīng)波折,試圖將溫度對芯片系統(tǒng)的影響減到最小。峰回路轉(zhuǎn),一位IC設(shè)計(jì)師突然有了一個(gè)絕妙的想法:何不積極開拓利用有源電路p-n結(jié)的溫度行為,而不是局限于絞盡腦汁將其影響最小化。
自進(jìn)入IC設(shè)計(jì)時(shí)代,集成電路(IC)溫度傳感器不經(jīng)意就成為器件設(shè)計(jì)的一部分。IC設(shè)計(jì)人員歷經(jīng)波折,試圖將溫度對芯片系統(tǒng)的影響減到最小。峰回路轉(zhuǎn),一位IC設(shè)計(jì)師突然有了一個(gè)絕妙的想法:何不積極開拓利用有源電路p-n結(jié)的溫度行為,而不是局限于絞盡腦汁將其影響最小化。而將數(shù)字功能集成到同一芯片的設(shè)計(jì)師更是腦洞大開,正是他們孕育出目前的溫度傳感器IC。
集成的溫度傳感器可以輕松解決-55至200ºC溫度范圍內(nèi)的大部分溫度感測難題。
輸入端
溫度傳感器IC的輸入是環(huán)境溫度。換句話說,封裝周圍的環(huán)境溫度會(huì)改變內(nèi)部晶體管的行為(圖1)。
圖1:這一概念電路顯示了匹配的晶體管如何檢測溫度。
溫度感應(yīng)設(shè)計(jì)通過巧妙的配置和計(jì)算來消除晶體管飽和電流(IS)的影響。使用恒流源(IC)以及晶體管和等同晶體管陣列之間的開關(guān)很容易控制飽和電流。
在圖1中,我們看到VBE 和VBE(N)之間的差是如何輕松對應(yīng)溫度變化的。公式
(1)顯示了晶體管基極-發(fā)射極電壓VBE的值。
公式( 1)
其中:
k是玻耳茲曼常數(shù),等于1.38×10-23J/K;
q等于1.6021765×10-19C;
T是以K為單位的溫度。
公式(2)顯示了許多并聯(lián)晶體管的基極-發(fā)射極的VBE(N)值。
公式(2)
如果將電流源IC從一條引腳切換到另一條引腳,則公式(3)顯示了這兩個(gè)基極-發(fā)射極電壓之間的差。
公式(3)
通過計(jì)算,得出:
CONSTANT=k × ln(N)/q 或86.25×10-6 × ln(N)。
從概念上講,它讓你知道如何在IC級快速測量溫度。對圖1中的電路做少許改進(jìn),IC溫度感測精度可高達(dá)±0.4ºC。
輸出端
現(xiàn)在我們有了準(zhǔn)確的溫度讀數(shù),如何向外界呈現(xiàn)此最終數(shù)值很重要。顯示溫度數(shù)據(jù)有兩種基本方法:模擬電壓或數(shù)字值。
模擬電壓輸出非常容易讀取。使用適當(dāng)?shù)臏囟雀袘?yīng)裝置,你可以捕獲模擬信號,將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字表示或回饋到電路中的某個(gè)點(diǎn)。
溫度傳感器的數(shù)字輸出能力更有趣,有許多輸出類型可選,但主要是1線、2線或3線輸出。
1線數(shù)字輸出可提供脈寬調(diào)制(PWM)的脈沖計(jì)數(shù)信號或簡單的閾值/開關(guān)信號。這兩種信號在風(fēng)扇控制電路中都很有用。2線數(shù)字輸出提供I2C或SMBus信號。數(shù)字結(jié)果是內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換器的副產(chǎn)品。你還可以看到代表閾值溫度和可能的錯(cuò)誤條件的數(shù)字輸出。3線數(shù)字輸出提供一個(gè)SPI接口。
溫度傳感器件的晶圓級封裝
每個(gè)產(chǎn)品都有從粗陋到精細(xì)的發(fā)展過程,溫度傳感器系列也在不斷改進(jìn)。該產(chǎn)品系列接下來將在器件封裝的尺寸上有巨大突破。最新溫度傳感器件的外殼采用晶圓級封裝(WLP)。
1998年,桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和富士通開發(fā)了WLP。該封裝在切割工藝之前,已完成晶圓級制造,其組裝以標(biāo)準(zhǔn)的表面貼裝技術(shù)(SMT)實(shí)現(xiàn)。
這種封裝技術(shù)帶來了超小型封裝外形和低θ結(jié)-環(huán)境值。這一代溫度傳感器的尺寸使采用標(biāo)準(zhǔn)0603封裝的標(biāo)準(zhǔn)0.1μF電容相形見絀(圖2)。
圖2:WLP溫度傳感器(U1/MAX31875)尺寸比SMT的0.1μF電容(C1)小。
在飯桌上
因?yàn)樾路庋b尺寸小,你可以將溫度傳感器任意放置在PCB上,就像你做晚餐時(shí)撒鹽和胡椒面一樣。最新一代的溫度傳感器可以在僅占0.76mm2 PCB面積的封裝內(nèi)實(shí)現(xiàn)±0.4ºC的精度。
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