深度解析LM95221：精准温度传感的理想之选

在电子工程师的日常设计工作中，温度传感器是一个不可或缺的组件，特别是在需要精确温度监测的场景中。今天，我们就来深入探讨一款由德州仪器（TI）推出的高性能温度传感器——LM95221。

文件下载：lm95221.pdf

概述

LM95221 是一款具备 SMBus 接口的双远程二极管数字温度传感器，它采用了 sigma - delta 模数转换器，可精准感测三个热区的温度，包括自身芯片的局部温度以及两个二极管连接的 MMBT3904 晶体管的温度。同时，其 2 线串行接口兼容 SMBus 2.0 和 I²C，为工程师在设计中提供了更多的灵活性。

关键特性与规格

特性亮点

1. 多区域温度精准感知：不仅能准确测量本地芯片温度，还能对远程 IC 或二极管结的温度进行精确监测，并且具备远程二极管故障检测功能，让温度监测更加可靠。
2. 高分辨率温度读取：远程温度读数分辨率可达 0.125°C，有 10 位加符号或 11 位可编程分辨率可选，其中 11 位分辨率能有效应对高于 127°C 的温度测量；本地温度读数分辨率为 0.25°C，采用 9 位加符号格式。
3. 灵活的功耗控制：支持可编程转换速率，工程师可以根据系统需求优化功耗。此外，还具备关机模式和单次转换控制功能，在不需要温度数据时可将功耗降至最低。
4. 可靠的接口兼容性：SMBus 2.0 兼容接口，支持超时功能，确保数据传输的稳定性和可靠性。
5. 小巧的封装形式：采用 8 引脚 VSSOP 封装，节省电路板空间，适合各种紧凑设计的应用场景。

关键规格参数

项目	规格详情
本地温度精度	(T_{A}=0^{circ} C) 至 85°C 时，± 3.0°C（最大）
远程二极管温度精度	(T{A}=30^{circ} C) 至 50°C，(T{D}=45^{circ} C) 至 85°C 时，± 1.0°C（最大）；(T{A}=0^{circ} C) 至 85°C，(T{D}=25^{circ} C) 至 140°C 时，± 3.0°C（最大）

引脚功能与应用电路

引脚功能

LM95221 共有 8 个引脚，每个引脚都有其特定的功能，以下为部分重要引脚介绍：

• D1 +、D2 +：二极管电流源引脚，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，推荐使用 2.2nF 二极管旁路电容来过滤高频噪声。
• D1 -、D2 -：二极管返回电流吸收引脚，需连接到二极管阴极。
• VDD：正电源电压输入引脚，工作电压范围为 3.0V 至 3.6V，同时需使用 0.1µF 电容与 100pF 电容并联进行旁路。
• SMBDAT：开漏输出引脚，为 SMBus 双向数据线，可能需要外部上拉电阻。
• SMBCLK：SMBus 时钟输入引脚，同样可能需要外部上拉电阻。

典型应用电路

在典型应用中，LM95221 可与 Pentium® 4 处理器配合使用。通过合理配置电阻和电容，能够实现对处理器温度的精确监测。同时，在设计电路时，要注意将相关电容尽量靠近 LM95221 的引脚放置，以减少信号干扰。

性能特点

温度转换与分辨率

LM95221 完成本地温度、远程温度 1 和 2 的转换并更新所有寄存器大约需要 66ms。远程二极管温度分辨率为 11 位，可编程为 11 位无符号或 10 位加符号格式，最低有效位（LSb）权重为 0.125°C；本地温度分辨率固定为 9 位加符号格式，LSb 为 0.25°C。

功耗控制

通过可编程的转换速率，用户可以根据实际需求调整 LM95221 的功耗。不同的转换速率会使芯片消耗不同的电源电流，例如在 15Hz 转换速率且 SMBus 不活动时，静态电流最大为 2.6mA；关机模式下，电流仅为 335µA。

逻辑电气特性

LM95221 的逻辑电气特性完全符合或超过 SMBus 2.0 的规范。其数字输入输出特性在不同的电压和温度条件下都能保持稳定，确保了数据传输的准确性和可靠性。

功能描述与操作

功能概述

LM95221 具备多种实用功能，如远程二极管故障检测功能，可检测 D + 是否短路到 (V_{DD})、D - 或地，以及 D + 是否浮空；温度转换速率可编程，用户可以根据系统需求优化电流消耗；还支持关机模式和单次转换模式，进一步提高了系统的灵活性和节能效果。

转换序列

芯片采用轮询序列进行温度转换，在转换过程中，状态寄存器中的忙位（D7）会置高。转换速率可通过配置寄存器中的转换速率位进行调整，但实际的转换时间仍保持在 66ms。

电源上电默认状态

LM95221 上电后会进入已知的默认状态，如命令寄存器设置为 00h，本地温度和远程二极管温度初始设置为 0°C ，直到第一次转换完成。

SMBus 接口操作

LM95221 在 SMBus 总线上作为从设备运行，具有固定的 7 位从设备地址。与芯片进行通信时，需要根据不同的操作（读或写）发送相应的地址字节和命令字节。读取温度数据时，要注意数据的格式和读取顺序，确保获取准确的温度信息。

温度数据格式

远程温度数据

远程温度数据可以用 11 位二进制补码或 11 位无符号二进制表示，LSb 为 0.125°C。数据格式为左对齐的 16 位字，存储在两个 8 位寄存器中，未使用的位始终报告为“0”。

本地温度数据

本地温度数据采用 10 位二进制补码表示，LSb 为 0.25°C，同样以左对齐的 16 位字形式存储在两个 8 位寄存器中。当本地温度读数大于 +127.875°C 时，会发生溢出并转换为负温度读数。

故障检测与通信

二极管故障检测

LM95221 内置了专门的二极管故障检测电路，当检测到 D + 引脚短路到 GND、D -、(V_{DD}) 或 D + 浮空时，远程温度读数会根据所选格式显示为 - 128.000°C（有符号格式）或 +255.875°C（无符号格式），同时相应的状态寄存器位会被置位。

与芯片通信

与 LM95221 进行通信时，需要通过命令寄存器选择要访问的数据寄存器。写入操作需要包含地址字节、命令字节和数据字节；读取操作则根据命令寄存器的状态选择不同的读取方式。在读取远程二极管温度的 11 位数据时，要先读取 MSB 寄存器，以确保数据的一致性。

应用提示与布局建议

应用提示

• 本地温度测量：LM95221 的温度与印刷电路板的焊盘和走线温度密切相关，因此在使用时要考虑环境温度对测量结果的影响。
• 远程温度测量：使用远程二极管可以测量芯片外部的温度，如目标 IC 的温度。但要注意不同二极管的非理想性和串联电阻会对测量结果产生影响，需要进行相应的补偿。例如，测量 Pentium 4 处理器的热二极管时，会有典型的 +1.5°C 偏移；测量二极管连接的 2N3904 时，会有 -3.25°C 的偏移。

PCB 布局建议

在设计 PCB 时，为了减少噪声对温度测量的影响，需要遵循以下布局原则：

• 对 (V_{DD}) 进行旁路电容配置，将 100pF 电容尽量靠近电源引脚放置，并在附近设置约 10µF 的大容量电容。
• 使用 2.2nF 二极管旁路电容过滤高频噪声，将电容靠近 D + 和 D - 引脚，并确保走线匹配。
• 尽量将 LM95221 放置在距离处理器二极管引脚 10cm 以内的位置，走线应尽量短、直且一致。
• 在二极管走线周围设置 GND 保护环，但避免在 D + 和 D - 线路之间设置。
• 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。如果必须交叉，应采用 90 度角交叉。
• 将 LM95221 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 + 与 GND 以及 D + 与 D - 之间的泄漏电流，保持电路板清洁。

结语

LM95221 凭借其精准的温度测量能力、灵活的功耗控制、可靠的接口兼容性以及丰富的功能特性，成为了电子工程师在温度监测设计中的理想选择。在实际应用中，只要我们充分了解其特性和规格，并遵循合理的设计和布局原则，就能充分发挥该芯片的优势，为系统的稳定运行提供有力保障。大家在使用 LM95221 过程中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的？欢迎在评论区分享交流。