深度剖析LM84：数字温度传感器的卓越之选

在电子工程师的设计领域中，温度传感器是不可或缺的关键组件。今天，我们将深入探讨一款性能出色的数字温度传感器——LM84，它具备远程二极管温度传感功能和两线接口，为众多应用场景提供了精准的温度监测解决方案。

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一、LM84概述

LM84是一款集成了远程二极管温度传感器、Delta - Sigma模数转换器和数字过温检测器的芯片，通过SMBus™接口实现数据通信。它不仅能感知自身温度，还能监测带有二极管结的目标IC温度，例如奔腾II处理器或二极管连接的2N3904晶体管。当温度超过可编程比较器极限T_CRIT时，T_CRIT_A中断输出将被激活。

1.1 产品特性

• 直接感知远程IC芯片温度：能够直接测量远程IC的芯片温度，为系统热管理提供准确数据。
• 支持远程二极管温度检测：可对远程二极管的温度进行监测，拓展了应用范围。
• SMBus兼容接口：支持SMBus超时功能，确保通信的稳定性和可靠性。
• 寄存器回读能力：方便工程师读取和设置寄存器状态。
• 7位加符号温度数据格式：提供精确的温度数据表示。
• 双地址选择线：允许9个LM84连接到同一总线上，实现多传感器组网。

1.2 关键规格参数

参数	数值
供电电压	3.0V - 3.6V
供电电流	最大1 mA
本地温度精度	典型值± 1.0˚C
远程二极管温度精度	+60˚C至+100˚C时最大± 3˚C；0˚C至+125˚C时最大± 5˚C

二、引脚说明

LM84采用16引脚QSOP封装，各引脚功能如下：	引脚标签	引脚编号	功能	典型连接
NC	1, 5, 9, 13, 16	制造测试引脚	浮空，PCB走线可通过这些引脚焊盘，但驱动这些走线的组件应与LM84共用同一电源，以避免引脚电压超过绝对最大额定值
VCC	2	正电源电压输入	3.0V至3.6V直流电压
D+	3	二极管电流源	连接到二极管阳极，可连接到远程分立二极管或外部IC上用于温度传感的二极管
D−	4	二极管返回电流吸收端	连接到二极管阴极，未使用时必须接地
ADD0–ADD1	10, 6	用户设置的SMBus (I2C) 地址输入	接地（低电平，“0”）、VCC（高电平，“1”）或浮空（三态）
GND	7, 8	电源接地	接地
T_CRIT_A	11	临界温度报警，开漏输出	上拉电阻、控制器中断线或系统关机
SMBData	12	SMBus (I2C) 串行双向数据线，开漏输出	连接到控制器，需上拉电阻
SMBCLK	14	SMBus (I2C) 时钟输入	来自控制器
NC	15	无连接	浮空，PCB走线可通过该引脚焊盘

三、电气特性

3.1 绝对最大额定值

• 供电电压及任意引脚电压：−0.3V至6.0V
• 部分引脚（NC、ADD0、ADD1、D +）电压：−0.3V至 (VCC + 0.3V)
• D−输入电流：± 1 mA
• 其他引脚输入电流：最大5 mA
• 封装输入电流：最大20 mA
• SMBData、T_CRIT_A输出灌电流：最大10 mA
• 输出电压：6.0V
• 存储温度：−65˚C至+150˚C

3.2 工作额定值

• 温度范围：0˚C至+125˚C
• 供电电压范围：+3.0V至+3.6V

3.3 温度 - 数字转换器特性

• 本地温度误差：典型值± 1˚C
• 远程温度误差：使用奔腾二极管时，+60˚C ≤ TA ≤ +100˚C且VCC = 3.3 Vdc时最大± 3˚C；0˚C ≤ TA ≤ +125˚C且VCC = 3.3 Vdc时最大± 5˚C。使用二极管连接的2N3904时，不同温度范围下误差有所不同。
• 分辨率：8位，1˚C
• 温度转换时间：典型值120 ms，最大值145 ms
• 静态电流：SMBus (I2C不活动时) 典型值0.500 mA，最大值1 mA
• D−源电压：典型值0.7V
• 二极管源电流：高电平时最大160 µA，最小50 µA；低电平时最大16 µA，最小5 µA
• T_CRIT_A输出饱和电压：I OUT = 3.0 mA时最大0.4V
• 上电复位阈值：VCC输入下降沿时，最大值2.2V，最小值1.2V
• 本地和远程T_CRIT默认温度：+127˚C

3.4 逻辑电气特性

• 数字直流特性：包括SMBData、SMBCLK、ADD0、ADD1等引脚的逻辑输入电压、电流以及所有数字输入的电容和输出的电流、电压等参数。
• SMBus数字开关特性：规定了SMBus时钟频率、时钟高低时间、上升和下降时间等参数，确保与SMBus或I2C总线规范兼容。

四、功能描述

4.1 温度传感原理

LM84采用带隙型温度传感器和8位ADC（Delta - Sigma模数转换器），通过本地或远程二极管实现温度测量。数字比较器将本地和远程温度读数与用户可编程的设定点（LT_CRIT和RT_CRIT）进行比较，当温度超过设定值时，T_CRIT_A输出激活。

4.2 T_CRIT_A输出与T_CRIT极限

T_CRIT_A在本地温度读数大于本地临界温度设定点寄存器（LT_CRIT）预设值或远程温度读数大于远程临界温度设定点寄存器（RT_CRIT）预设值时被激活。状态寄存器可用于确定触发报警的事件，T_CRIT_A输出和状态寄存器标志在转换完成后更新，约60 ms。只有在读取状态寄存器且温度低于设定点时，T_CRIT_A和状态寄存器标志才会复位。

4.3 上电复位默认状态

• 本地温度设置为0˚C
• 远程温度设置为0˚C，直到LM84检测到D+和D−输入引脚存在二极管或开路
• 状态寄存器设置为00h
• 命令寄存器设置为00h，T_CRIT_A启用
• 本地和远程T_CRIT设置为127˚C

4.4 SMBus接口

LM84作为SMBus的从设备，SMBCLK为输入，SMBData为双向线。它具有7位从地址，其中位4 (A3) 内部硬连线为1，其余地址位由地址选择引脚ADD1和ADD0控制。地址选择引脚状态在SMBus首次读写时被锁存，之后改变其状态不会影响LM84的从地址。

4.5 温度数据格式

温度数据可从本地温度、远程温度和T_CRIT设定点寄存器读取，仅T_CRIT设定点寄存器可写入。温度数据以8位二进制补码形式表示，最低有效位（LSB）等于1˚C。

4.6 开漏输出

SMBData和T_CRIT_A输出为开漏输出，无内部上拉电阻，需外部上拉电阻提供高电平。上拉电阻值应尽可能大，以减少LM84自热引起的本地温度读数误差，基于LM84高电平输出电流规格，提供2V高电平时，上拉电阻最大为30 kΩ。

4.7 二极管故障检测

每次远程转换前，LM84会进行外部二极管故障检测。若D+输入短路到VCC或浮空，温度读数为+127˚C，状态寄存器位2 (OPEN) 置位；若远程T_CRIT设定点小于+127˚C，状态寄存器位4 (RTCRIT) 置位，若T_CRIT_A启用则输出激活。若D+短路到GND或D−，温度读数为0˚C，状态寄存器位2不置位。

4.8 与LM84通信

• 写入操作：写入LM84时，需包含地址字节和命令字节，写入任何寄存器需一个数据字节。
• 读取操作：有两种方式。若命令寄存器锁定的位置正确，读取只需地址字节和数据字节；若需设置命令寄存器，则需地址字节、命令字节、重复起始信号和另一个地址字节。数据字节最高有效位在前，读取结束时，LM84可接受主设备的确认或不确认信号。
• SMBus超时：若SMBData或SMBCLK线保持低电平超过40 ms，LM84的SMBus接口电路将复位到空闲状态；在25 ms至40 ms之间，可能复位也可能不复位；低于25 ms则不会复位。LM84内置定时器，确保在SMBData线卡住低电平时接口能复位，提高了系统的可靠性。

4.9 LM84寄存器

• 命令寄存器：选择要读取或写入的寄存器，数据在SMBus写通信的命令字节期间传输。
• 本地和远程温度寄存器：只读，存储温度数据，以8位二进制补码形式表示，LSB = 1˚C。
• 状态寄存器：只读，包含LTCRIT、RTCRIT和OPEN等标志位，用于指示温度报警和远程二极管断开情况。
• 制造商ID寄存器：默认值00h。
• 配置寄存器：可读可写，D7位为T_CRIT_A掩码，置1时屏蔽T_CRIT_A中断。
• 本地和远程T_CRIT寄存器：可读可写，存储RT_CRIT和LT_CRIT设定点温度数据，上电默认值为127˚C。

五、应用提示

5.1 温度测量应用

• 测量自身温度：LM84焊接到PCB上，其温度主要受PCB焊盘和走线温度影响，前提是环境空气温度与PCB表面温度相近。
• 测量外部温度：使用远程二极管，可位于目标IC芯片上或采用分立二极管，推荐使用2N3904晶体管基极 - 发射极结，集电极连接到基极，以近似奔腾微处理器的温度测量结。

5.2 二极管非理想因子对精度的影响

温度传感器通过测量二极管在两个不同工作点的VBE变化来测量温度，其中非理想因子η会影响测量精度。由于ΔVBE与η和T成正比，η的变化无法与温度变化区分，会直接增加传感器的测量误差。可通过对每个温度传感器与配对的远程二极管进行校准来消除η引起的额外误差。

5.3 PCB布局以减少噪声

在嘈杂环境中，如处理器主板，PCB布局至关重要。噪声会导致温度转换误差，以下是布局建议：

• 在VCC引脚附近放置0.1 µF电源旁路电容，在D+和D−引脚附近放置2.2nF电容，并确保连接电容的走线匹配。
• 将LM84放置在距处理器二极管引脚10 cm以内，走线尽量直、短且相同。
• 二极管走线两侧、上下尽可能设置接地保护环，但保护环不能位于D+和D−线之间，以实现共模噪声耦合。
• 避免二极管走线靠近电源开关或滤波电感。
• 二极管走线与高速数字和总线线路保持至少2 cm距离，避免平行走线。
• 若需交叉高速数字走线，应成90度角。
• 将LM84的GND引脚尽可能靠近与感测二极管相关的处理器GND连接。

六、典型应用

LM84适用于多种领域，如系统热管理、个人计算机、电子测试设备、办公电子和HVAC等。在实际应用中，可使用二极管连接的2N3904作为远程温度传感元件，实现对外部温度的精准监测。

总之，LM84以其丰富的功能、高精度的温度测量和良好的兼容性，为电子工程师在温度监测设计中提供了可靠的选择。在实际应用中，合理布局PCB、注意二极管选择和校准，能充分发挥LM84的性能优势。你在使用温度传感器时遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。