如何使用Silego GreenPAK构建温度传感系统

在这个项目中，我们将测试如何使用 Silego GreenPAK 构建温度传感系统。

本实验的目的是测试 GreenPAK 器件在温度传感应用中的可用性，特别是对于温度域为 25°C 至 100°C 的 CPU 处理器。 温度传感系统使用远程温度传感器 2N3904（二极管连接）和在 GreenPAK 器件中实现的控制逻辑。目标是使用 SLG46537 芯片实现 +/- 1°C 的内部温度精度。  

图 1.

实现双电流法的温度传感器应用电路

理论

两流法

双电流法是一种使用两个电流源、一个二极管、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。

二极管的正向电压根据二极管两端的电流感应电场而变化。通过在两个已知电流下减去正向电压，我们可以消除常见变量，例如偏移和饱和电流。 二极管的正向偏置电流 I D与饱和电流 I s和正向电压 V D相关，公式如下：  

I D = I s e V D /ηV T

其中η是二极管的理想因子，V T = kT/q。k是玻尔兹曼常数，q是电子电荷常数。对于此示例，I_H 将是偏置电流 I 1，而 I_L 将是偏置电流 I 2。因此，它们的正向偏置电流方程分别为：  

I 1 = I s e V 1 /ηV TI 2 = I s e V 2 /ηV T

通过划分两个正向偏置电流方程，我们消除了饱和电流并将输入电流变量减少到一个标量因子N。  

I 1 ⁄ I 2 = N = e (V 1 -V 2 )/ηV T

  如果 N 已知，则通过测量 V1 和 V2 之间的差异，我们可以计算温度T。  

ln(N) = (V 1 -V 2 )q/(ηkT)

T = (V 1 -V 2 )q/(ηkln(N))

理想因子η

虽然k和q是常数并且不会因部件而异，但理想因子η确实在值 1 和 2 之间变化。该值越接近 1，载流子扩散的主导地位就越大。该值越接近 2，重组越多。该值越高，温度测量的错误越多，因为温度会高度影响复合而不是扩散。[1]

在选择远程温度二极管时，远程二极管连接的晶体管（基极-集电极结被短路的 BJT）比整流二极管更好，因为它们的理想值是指定的。 几乎所有 BJT 晶体管的理想因子都接近 1。

其他重要参数包括正向电流增益β和串联电阻R s。正向电流增益随温度和集电极电流而变化，串联电阻在所有温度下呈现恒定偏移。建议选择β在两个电流 I_H 和 I_L 之间变化的器件。  

实验电路

实验的目的是通过测试几个点来测量一般的温度偏差：40°C、60°C 和 80°C。

图 2 显示了实验中使用的应用电路的框图。 

 

图 2.

温度检测应用电路的 GPAK 框图

电阻器 R3 和 R4 提供图 1 中的电流 I_H 和 I_L。开关 NMOS 和 PMOS 位于 GreenPAK 内部（PIN 13 和 PIN 15）。内部 GreenPAK 设计如图 3 所示，该传感器的更新时间为 10ms。 

图 3.

内部 GPAK 设计

当 NMOS 拉低且 PMOS 悬空时，电容 C4 由 I_L 充电。当 PMOS 拉高且 NMOS 悬空时，C4 以 I_H 充电。系统的控制逻辑经过编程以提供死区时间（在 NMOS 和 PMOS 导通时间之间），以获得 C4 上的电压差。

这种差异进入运算放大器（Silego 的SLG88103）的 IN+ 输入。C4 两端的电压波形如图 4 所示。

图 4.

 C4 两端的电压波形

GPAK 器件的引脚 7 连接到具有可变电阻的分压器（微调电位器），用于调整内部 GPAK 设计中模拟比较器 ACMP0 的开关电压。开关电压是 PIN 7 上的电压达到 PIN 6 上的电压（运算放大器输出电压）的时刻。运算放大器的输出电压（以及因此 ACMP0 的开关电压）在不同的温度下是不同的。

因此，在实验中，调整 P1 的电阻，直到发生切换时刻。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。 仅具有一种不同组件（GPAK5 器件）的三个传感器电路的测试结果记录在表 1、2 和 3 中，其中：

烤箱内的温度是用热电偶测量的。

P1 的电阻是用 Fluke 万用表测量的。 

Vref 值是根据 P1 的电阻值计算得出的。

表 1. GPAK5_1

表 2. GPAK5_2

表 3. GPAK5_3

用图 2 中的图表进一步总结了结果。

图 2.

 基于使用不同 GPAK 设备的三个传感器的测量结果的图表

图 2 显示传感器 2 和 3 给出了重叠的线性图，而传感器 1 给出了非常接近传感器 1 呈现的线性趋势线的线。

传感器 2 和 3 的曲线斜率以及传感器 1 的趋势线为 1.7mV/1°C（在 T=40°C 和 T=80°C 之间）。 三个 GPAK 器件的测量值之间的最大差异为 2mV。这意味着 GPAK 引入了大约 1°C 的部件间误差。

错误源

模拟比较器

GreenPAK 设计表明，部件间的差异最有可能发生在模拟比较器组件 (ACMP0) 上。 此应用程序设计中的 ACMP0 设置如下：

IN+ 源：pin6

IN-：分机。参考电压 (pin7)

IN+增益=1

滞后：禁用。

ACMP 的失调电压（以及开关电压）随温度和电源电压而变化。 实验的结论是基于对三个 GPAK 样本的测量——对于统计分析来说太少了。

作为典型表示，我们可以使用 Silego 的 ACMP Offset Voltage char 数据，该数据基于一组 35 个在温度和电压下测试的组件。在室温下测量的 Ext.Vref=600mV 和 5V 电源电压的组件 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 计算基于以下等式：

V偏移= 最大值 (|V ref,Ext -V ih | , |V ref,Ext -V il |)数据精度 +/- 0.2mV

基于 35 个组件的测试结果表明，ACMP 偏移可高达 4.366 mV，这可能会引入高达 2.5°C 的误差。

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 (I) 和串联电阻R s。根据 2N3904 的 Microchip 实验室数据，这些参数对整个传感器源电流范围 (4.5-920uA) 内的温度测量精度影响很小。[1]

图 3 显示了 Microchip 测试的晶体管的典型 β 值，可以作为有限数量的 2N3904 晶体管的典型表示。[1] 公式 3 给出了温度误差，这是由于 80 °C 时 0.02°C 左右的所示 β 变化。 类似地，使用 Microchip 的 2N3904 组（约 0.7 欧姆）的R s数据和公式 4 会产生温度误差，因为 Rs 约为 0.8°C。[1]  

图 3.

  23°C 时 2N3904 晶体管的典型 beta 值（Microchip 实验室数据）  

运算放大器的考虑

SLG88103 电压偏移通常为 0.35mV（对于接近 VSS（接地）的 VCM，最高为 2.4mV），再加上通常为 0.16mV (T=80°C) 以增加偏移随温度的漂移。典型值会引入来自此应用的运算放大器的小误差。然而，考虑到最大偏移值，SLG88103 运算放大器可能会引入超过 1°C 的误差。  

结论

实验中使用的温度传感系统的输出增益为 1.7 (mV/°C)。 

基于三个 GreenPAK 器件样本的测试结果表明，仅在温度传感系统中实施 GreenPAK 会引入大约 1°C 的误差。 

传感器的主要特性基于实验结果，其中温度域适用于远程传感器，而带有 GreenPAK 的内部温度系统在实验期间保持在室温下。要查看此项目的应用说明和设计文件，请单击此处。

GreenPAK 主要特点

温度域 (25°C - 100°C)

准确性

±1°C 远程温度精度（2N3904 传感器的精度）

±1.5°C 内部温度精度

1.7V-5.5V 电源电压

10ms 更新时间

1.7 (mV/°C) 输出增益

29μA 静态电流