TMP118：超小型高精度数字温度传感器的卓越之选

在电子设备的设计中，温度传感器扮演着至关重要的角色。今天，我们要深入探讨一款性能卓越的数字温度传感器——TMP118，它以其超小型、高精度和低功耗等特性，在众多应用场景中展现出独特的优势。

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1. 产品概述

TMP118 是一款采用 PicoStar™ 封装的超小型、超薄数字温度传感器，面积仅为 (0.336 ~mm^{2})，最大高度为 240µm。这种小巧的封装设计使其非常适合空间受限的应用场景。它具备 16 位分辨率，LSB 为 7.8125m°C，在 20°C 至 50°C 范围内无需额外校准即可实现 ±0.1°C（最大精度），有助于满足医疗级电子温度计的系统级 ASTM E1112 和 ISO 80601 精度标准。

2. 产品特性

2.1 超小型、超薄封装

PicoStar™ 封装尺寸为 0.55 × 0.61 × 0.24mm，具有小热质量（0.092mJ/°C）的特点。小热质量意味着传感器能够更快地响应温度变化，提高测量的实时性。

2.2 高精度测量

在 (V_{DD}=1.62 ~V) 至 3.6V 的供电范围内，不同温度区间有着出色的精度表现：

• 0°C 至 50°C：典型精度为 ±0.05°C，最大精度为 ±0.15°C。
• 20°C 至 50°C：最大精度为 ±0.1°C。
• -20°C 至 85°C：最大精度为 ±0.2°C。
• -40°C 至 125°C：最大精度为 ±0.4°C。

  2.3 宽供电范围

  供电范围为 1.4V 至 5.5V，这使得 TMP118 能够适应多种不同的电源环境，增加了其在不同应用中的兼容性。

  2.4 低功耗设计

• 平均电流：在 1Hz 转换周期下，平均电流为 1.4μA。
• 睡眠电流：仅为 65nA，这种低功耗特性对于电池供电的便携式或可穿戴设备来说至关重要，能够有效延长设备的电池续航时间。

  2.5 灵活的数字接口

• 兼容 1.2V 逻辑（独立于 (V_{DD})），无需电平转换器即可直接与低电压 MCU 接口。
• 支持 I²C 和 SMBus™ 协议，还具备 I3C 混合总线共存能力，方便与其他设备进行通信。

  2.6 NIST 可追溯性

  每个 TMP118 都包含一个 48 位的唯一 ID，可用于支持 NIST 可追溯性，满足对测量精度和溯源性有严格要求的应用场景。

  2.7 医疗级认证

  有助于满足 ASTM E1112 和 ISO 80601 - 2 - 56 标准，适用于医疗传感器贴片等医疗应用领域。

3. 应用领域

TMP118 的特性使其在多个领域都有广泛的应用：

• 移动设备：如手机、智能手表和智能追踪器等，可用于监测设备内部温度，保障设备的稳定运行。
• 平板电脑：实时监测平板电脑的温度，避免因过热导致性能下降。
• 医疗设备：医疗传感器贴片等设备中，高精度的温度测量能够为医疗诊断提供准确的数据支持。

4. 技术细节

4.1 数字温度输出

Temp_Result 寄存器采用 16 位格式，温度数据以 16 位二进制补码表示，LSB 为 0.0078125°C。通过特定的编码参数和位权重，可以准确地将数字信号转换为温度值。例如，给出了一些温度值对应的二进制和十六进制表示，方便工程师进行数据处理和解读。

4.2 平均模式

支持 4 种不同的平均模式，可有效抑制噪声并减少外部温度波动的影响：

• 无平均模式：每个转换周期进行 1 次单一转换，转换结束后立即将温度结果存储到 Temp_Result 寄存器。
• 背靠背平均模式：可设置为 4 次或 8 次转换背靠背进行，将多次转换结果平均后存储，有助于减少设备内部噪声源的影响，但会增加平均电流消耗。
• 移动 4x 平均模式：每个转换周期进行 1 次单一转换，将新的温度结果与前 3 个转换周期的结果进行平均后存储，可过滤外部温度源的波动。

  4.3 温度比较器和滞后功能

  TMP118 具有温度比较器功能，通过 THigh_Limit 寄存器设置高温比较器阈值，TLow_Limit 寄存器设置低温比较器阈值。当温度结果连续多次达到或超过 THigh_Limit 时，配置寄存器中的 Alert_Flag 位将被置位；当温度结果连续多次低于 TLow_Limit 时，Alert_Flag 位将被清除。这种滞后功能可以防止因环境温度波动而产生的误报警。

  4.4 应变容差

  该传感器具有内部应变容差特性，能够减轻因 PicoStar 封装在常见制造区域（如器件焊接、成型、底部填充和电路板弯曲）产生的应变所导致的误差。通过实验测试，展示了其在不同应变条件下的温度误差表现，相比非应变容忍设备具有明显优势。

  4.5 NIST 可追溯性实现

  TMP118 的 48 位唯一 ID 存储在 3 个单独的寄存器中，通过特定的步骤可以读取这些唯一 ID，以支持 NIST 可追溯性。具体步骤包括将设备置于关机模式、向唯一 ID 指针地址写入 0x0000、读取唯一 ID 内容等。

5. 设备功能模式

5.1 连续转换模式

当配置寄存器中的 Shutdown 位设置为 0b 时，设备进入连续转换模式。在该模式下，设备以固定间隔进行转换，并在每次转换结束后更新温度结果寄存器。典型的主动转换时间为 11ms（无平均），期间设备通常消耗 55µA 的电流，在低功耗待机期间消耗 750nA 的电流。可以通过调整转换速率来降低连续模式下的平均电流消耗。

5.2 单次转换模式

当设备处于关机模式（配置寄存器中的 Shutdown 位为 1b）时，向配置寄存器中的 OS 和 Shutdown 位写入 1b 可以启动单次温度转换，通常需要 12ms。转换完成后，设备返回关机状态。这种模式适用于不需要连续温度监测的场景，有助于降低设备的功耗。

6. 编程接口

6.1 I²C 和 SMBus 接口

TMP118 具有标准的双向 I²C 接口，由控制器设备控制。每个目标设备在 I2C 总线上有特定的设备地址，支持高达 1MHz 的传输数据速率。

• 总线概述：物理 I2C 接口由串行时钟（SCL）和串行数据（SDA）线组成，两条线都需要通过外部上拉电阻连接到电源。数据传输只能在总线空闲时启动，通过 START 和 STOP 条件来控制通信的开始和结束。
• 设备地址：TMP118 采用硬连线可订购方式进行寻址，允许在单条总线上寻址多达 4 个目标设备，提供了 4 种不同的 7 位 I²C 目标地址选项。
• 读写操作：
  • 写操作：控制器发送 START 条件和目标地址（R/W 位设置为 0b），目标设备确认后，控制器发送寄存器指针和寄存器数据，最后发送 STOP 条件结束传输。
  • 读操作：控制器先发送 START 条件和目标地址（R/W 位设置为 0b），发送寄存器指针，然后发送 START 或 RESTART 条件和目标地址（R/W 位设置为 1b），开始读取数据。读取完成后，控制器发送 NACK 信号并发送 STOP 条件。
• 通用调用复位功能：控制器可以通过发送通用调用地址（0000000b）和特定的复位命令（00000110b 或 06h）来对总线上的所有 TMP118 设备进行复位操作。
• 超时功能：如果 SCL 线被控制器拉低或 SDA 线被 TMP118 拉低超过 30ms（典型值），TMP118 将重置内部串行接口。为避免激活超时功能，SCL 操作频率应至少为 1kHz。
• I3C 混合总线共存：TMP118 作为 I2C 设备，通过在 SDA 和 SCL 引脚上集成 50ns 的尖峰抑制滤波器，能够与 I3C 设备在同一总线上共存，支持高达 12.5MHz 的时钟速度，方便现有 I2C 总线设计向 I3C 规范迁移。

7. 寄存器配置

TMP118 具有多个寄存器，用于存储温度数据、配置设备操作和提供设备信息：

• Temp_Result 寄存器：存储最新的温度转换结果，以 16 位二进制补码格式表示，LSB 为 0.0078125°C。
• Configuration 寄存器：用于配置设备的操作模式、转换速率、平均模式、报警标志等参数。
• TLow_Limit 寄存器和 THigh_Limit 寄存器：分别用于设置低温和高温比较器阈值，以 16 位二进制补码格式表示，LSB 为 0.0078125°C。
• Device_ID 寄存器：只读寄存器，指示设备 ID 和修订号。
• Unique_ID0、Unique_ID1 和 Unique_ID2 寄存器：存储用于 NIST 可追溯性的唯一 ID。

8. 应用设计

8.1 典型应用电路

提供了两种典型应用电路：

• 独立 I2C 上拉和电源应用：SDA 和 SCL 引脚电压可以与 (V_{DD}) 引脚电压不同，无需电源排序。通过选择合适的上拉电阻，确保 I/O 电流在额定范围内。
• 相等 I2C 上拉和电源电压应用：SDA 和 SCL 引脚电压与 (V_{DD}) 相同，上拉电阻的选择同样要保证 I/O 电流在额定范围内。

  8.2 电源供应建议

  在设计中，要确保电源的稳定性，选择合适的电源旁路电容，推荐值为 10nF，并将其尽可能靠近电源和接地引脚放置。

  8.3 布局指南

• 旁路电容：将电源旁路电容靠近电源和接地引脚放置，以减少电源噪声。
• 上拉电阻：上拉电阻应靠近控制器的 I2C SDA/SCL 线放置，同时要注意与设备保持一定距离，避免其成为热源影响测量精度。
• 光线影响：尽量将 TMP118 远离光源，因为过多的光线照射可能会影响设备的测量精度和电流消耗。
• 电路板选择：对于需要快速响应时间的系统，建议使用柔性印刷电路板（FPC），以充分发挥 TMP118 的快速响应特性。

9. 总结

TMP118 以其超小型、高精度、低功耗和灵活的接口等特性，为电子工程师在设计温度监测系统时提供了一个优秀的选择。无论是在移动设备、医疗设备还是其他对空间和精度有要求的应用场景中，TMP118 都能够发挥出其独特的优势。在实际应用中，工程师需要根据具体的需求合理配置设备的参数，优化电路设计和布局，以确保系统的性能和稳定性。你在使用温度传感器的过程中遇到过哪些挑战呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。