LM95231：高精度双远程二极管温度传感器的深度解析

在电子设备的设计中，温度监测是至关重要的一环，它直接关系到设备的性能、稳定性和寿命。今天，我们就来深入探讨一款功能强大的温度传感器——LM95231，看看它是如何在温度监测领域发挥重要作用的。

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一、LM95231概述

LM95231是一款采用德州仪器TruTherm技术的精密双远程二极管温度传感器（RDTS），其2线串行接口与SMBus 2.0兼容。它能够同时对三个温度区域进行精确测量，包括自身芯片的温度以及两个外部晶体管结的温度。该传感器具有高精度、高分辨率以及丰富的功能特点，广泛应用于处理器/计算机系统热管理、电子测试设备、办公电子等领域。

二、特性亮点

高精度温度测量

• 远程IC温度感知：可以准确地感应远程IC或二极管结的芯片温度，为系统提供精确的温度数据。
• TruTherm技术：借助TruTherm技术，实现对“热二极管”温度的高精度测量，有效减少处理器之间的非理想性差异。
• 滤波功能：具备热二极管模拟滤波和数字滤波功能，提高测量的准确性和稳定性。

灵活的分辨率设置

• 远程温度分辨率：远程温度读数的分辨率可根据数字滤波器的开启状态进行调整。数字滤波器关闭时，分辨率为10位加符号或11位可编程，最低有效位（LSb）为0.125°C；开启数字滤波器后，分辨率提高到12位加符号或13位可编程，LSb为0.03125°C，能够满足不同应用场景对温度精度的需求。
• 本地温度分辨率：本地温度读数分辨率为9位加符号，LSb为0.25°C。

其他实用特性

• 故障检测：具备远程二极管故障检测功能，能够及时发现二极管的短路、开路等故障情况。
• 本地温度传感：支持板载本地温度传感，方便对传感器自身的温度进行监测。
• 可编程转换率：用户可以根据系统需求对转换率进行编程，优化功耗。
• 关机模式：支持关机模式和单次转换控制，在不需要温度数据时降低功耗。

三、引脚配置与功能

LM95231采用8引脚VSSOP封装，各引脚功能如下：	引脚标签	引脚编号	功能	典型连接
D1+	1	二极管电流源	连接到二极管阳极，可连接到远程离散二极管连接的晶体管结或远程IC上的二极管连接晶体管结。在噪声环境中，可在D1+和D1 - 之间添加100 pF电容以提高性能。
D1 -	2	二极管返回电流沉	连接到二极管阴极，同样在噪声环境中可添加100 pF电容。
D2+	3	二极管电流源	功能和连接方式与D1+类似。
D2 -	4	二极管返回电流沉	功能和连接方式与D1 - 类似。
GND	5	电源接地	连接到系统低噪声接地。
VDD	6	正电源电压输入	输入3.0V至3.6V的直流电压，需用0.1µF电容与100 pF电容并联进行旁路，100 pF电容应尽可能靠近电源引脚放置。
SMBDAT	7	SMBus双向数据线，开漏输出	与控制器连接，可能需要外部上拉电阻。
SMBCLK	8	SMBus时钟输入	来自控制器，可能需要外部上拉电阻。

四、关键规格参数

温度精度

• 远程温度精度：最大±0.75°C。
• 本地温度精度：最大±3.0°C。

电源参数

• 电源电压：3.0V至3.6V。
• 电源电流：典型值402μA。

其他参数

• 工作温度范围：0°C至+125°C。
• 存储温度范围： - 65°C至+150°C。

五、详细工作原理

温度测量原理

LM95231通过ΔVbe温度传感方法测量温度。对于远程二极管温度测量，可支持两种外部晶体管类型：90nm工艺的奔腾4处理器热二极管或2N3904二极管连接晶体管。通过TruTherm技术，减少了90nm工艺奔腾4处理器中存在的非理想性差异，提高了测量精度。

转换序列

在上电默认状态下，LM95231最多需要77.5 ms来完成本地温度、远程温度1和2的转换，并更新所有寄存器。转换过程按轮询顺序进行，转换率可通过配置寄存器中的转换率位进行修改。不同的转换率会导致LM95231消耗不同的电源电流。

电源上电默认状态

• 命令寄存器设置为00h。
• 本地温度和远程二极管温度在第一次转换结束前设置为0°C。
• 远程二极管数字滤波器开启。
• 远程二极管1模型设置为90nm工艺的奔腾4处理器，启用TruTherm模式；远程二极管2模型设置为2N3904，禁用TruTherm模式。
• 状态寄存器取决于热二极管输入状态。
• 配置寄存器设置为00h，连续转换，当仅为远程1启用TruTherm模式时，典型时间为85.8 ms。

SMBus接口

LM95231作为SMBus上的从设备，SMBCLK线为输入，SMBDAT线为双向。它具有7位从地址，由器件型号决定，且所有位A6至A0均为内部编程，不能通过软件或硬件更改。

温度数据格式

• 远程温度数据：数字滤波器关闭时，以11位二进制补码或无符号二进制字表示，LSb为0.125°C；数字滤波器开启时，以13位二进制补码或无符号二进制字表示，LSb为0.03125°C。
• 本地温度数据：以10位二进制补码字表示，LSb为0.25°C。

二极管故障检测

当检测到D + 引脚短路到GND、D - 、VDD或D + 浮空时，远程温度读数在有符号格式下为 - 128.000°C，无符号格式下为+255.875°C，并设置相应的状态寄存器位。当TruTherm模式激活时，无法检测D + 到D - 的二极管短路情况。

通信方式

通过命令寄存器选择要读写的数据寄存器。写入操作包括地址字节和命令字节，读取操作可根据命令寄存器的状态选择不同的方式。在读取远程二极管温度测量的11位数据时，应先读取MSB寄存器，以确保数据的同步性。

串行接口复位

当SMBus主设备复位时，可通过两种方式将LM95231恢复到已知状态：一是当SMBDAT为低电平时，将SMBDAT或SMBCLK保持低电平超过35ms；二是当SMBDAT为高电平时，由主设备发起SMBus启动。

单次转换

通过向单次转换寄存器写入数据（数据内容无关），可在设备处于待机模式时启动一次转换和比较周期，转换完成后设备返回待机状态。

六、寄存器详解

LM95231的寄存器包括状态寄存器、配置寄存器、远程二极管滤波器控制寄存器等多个寄存器，每个寄存器都有其特定的功能和作用。

状态寄存器

包含忙碌位、远程二极管故障位等信息，用于指示设备的工作状态和二极管的故障情况。

配置寄存器

用于控制转换率、数据格式等参数，用户可以根据实际需求进行配置。

远程二极管滤波器控制寄存器

控制远程二极管滤波器的开启和关闭，提高测量的抗干扰能力。

远程二极管模型类型选择寄存器

选择远程二极管的模型类型，可在2N3904和90nm工艺的奔腾4处理器热二极管之间进行切换。

远程TruTherm模式控制寄存器

启用或禁用远程二极管测量的TruTherm技术。

七、应用与实现

应用场景

• 处理器/计算机系统热管理：可用于笔记本电脑、台式机、工作站、服务器等设备，实时监测处理器温度，确保系统稳定运行。
• 电子测试设备：为测试设备提供精确的温度测量，保证测试结果的准确性。
• 办公电子：如打印机、复印机等设备，通过温度监测提高设备的可靠性和使用寿命。

典型应用

二极管非理想性

• 非理想性因子对精度的影响：当晶体管作为二极管连接时，其电流和电压关系受到非理想性因子的影响。TruTherm技术采用更准确的晶体管方程，减少了非理想性差异，提高了测量精度。
• 计算系统总精度：系统精度受到温度传感器精度、二极管非理想性因子和串联电阻等因素的影响。通过TruTherm技术和适当的补偿方法，可以提高系统的测量精度。
• 补偿不同非理想性：通过软件校准可以减少不同处理器类型非理想性带来的温度误差。根据目标非理想性和LM95231支持的非理想性差异，计算温度校正因子并进行补偿。

PCB布局注意事项

在PCB布局时，为了减少噪声对温度测量的影响，需要遵循以下原则：

• 对VDD进行旁路电容处理，100pF电容应靠近电源引脚放置，并在附近设置约10µF的大容量电容。
• 可使用100pF二极管旁路电容过滤高频噪声，确保连接电容的走线匹配，并将滤波电容靠近LM95231引脚放置。
• 将LM95231放置在距离处理器二极管引脚10cm以内，走线应尽量直、短且相同。对于走线电阻引起的误差，可通过软件偏移补偿进行修正。
• 二极管走线应被GND保护环包围，但保护环不应位于D + 和D - 线之间，以确保噪声以共模方式耦合到二极管线上。
• 避免二极管走线靠近电源开关或滤波电感、高速数字和总线线路。若必须交叉，应使二极管走线与高速数字走线成90度角。
• 将LM95231的GND引脚尽可能靠近处理器与感测二极管相关的GND连接。
• 尽量减少D + 和GND、D + 和D - 之间的泄漏电流，保持印刷电路板清洁。

八、总结

LM95231作为一款高性能的温度传感器，凭借其高精度、高分辨率、丰富的功能和灵活的配置，为电子设备的温度监测提供了可靠的解决方案。在实际应用中，我们需要根据具体需求合理配置寄存器，注意PCB布局，以充分发挥其性能优势。同时，对于不同处理器类型的非理想性问题，可通过软件校准进行补偿，提高系统的测量精度。希望本文能为电子工程师在使用LM95231进行设计时提供有益的参考。你在使用LM95231的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。