详解 NCT218：低电压高精度温度监测器的卓越之选

在电子设备的设计中，温度监测是确保系统稳定运行的关键环节。今天，我们来深入探讨 onsemi 推出的一款低电压、高精度温度监测器——NCT218，它在热管理系统中有着出色的表现。

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一、NCT218 概述

NCT218 是一款双通道数字温度计，同时具备欠温/过温报警功能，适用于对功耗和尺寸要求较高的热管理系统。它的供电范围为 1.4V 至 2.75V，这使得它能广泛应用于各类低功耗设备中。

二、核心特性

（一）精准的温度测量

• 高精度测量：NCT218 能够精确测量远程热二极管的温度，精度可达 ±1°C，测量环境温度的精度也能达到 ±1.75°C。其工作温度范围为 -40°C 至 +125°C，能满足大多数应用场景的需求。
• 宽测量范围可选：默认情况下，内部和外部温度的测量范围是 0°C 至 +127°C，但可通过设置配置寄存器的第 2 位为 1 来选择扩展温度范围（ -64°C 至 +191°C），从而实现对外部二极管全温度范围（ -55°C 至 +150°C）的测量。

（二）系列电阻消除功能

在实际应用中，由于 PCB 走线电阻和走线长度等因素，会在远程二极管与 NCT218 的 D+ 和 D - 输入之间产生寄生电阻，这会导致远程传感器温度测量出现误差。NCT218 能够自动消除典型高达 500Ω 串联电阻对温度读数的影响，无需用户对该电阻进行特性表征，从而提供更准确的测量结果。此外，这一特性还允许在传感器路径中添加电阻以形成滤波器，使器件能在嘈杂环境中正常工作。

（三）低功耗设计

• 低静态电流：在正常模式下，静态电流最大为 44μA；在关机模式下，最大仅为 20μA。
• 节能关机模式：通过设置配置寄存器的第 6 位，可将 NCT218 置于低功耗待机模式，此时 ADC 被禁止，正在进行的转换将被终止，且不会将结果写入相应的值寄存器。在无总线活动时，待机模式下的功耗可降至 12μA。

（四）灵活的通信与控制

• I²C 接口通信：通过与行业标准协议兼容的 I²C 接口与 NCT218 进行通信，可访问其内部寄存器。这些寄存器允许用户读取本地（环境）和远程通道的当前温度，更改配置设置并调整每个通道的限制。
• 可编程的温度限制：NCT218 拥有八个限制寄存器，分别用于设置本地和远程温度测量的高、低和 THERM 温度限制。用户可通过 I²C 对这些寄存器进行读写操作。

（五）可靠的报警输出

• ALERT 输出：当片上或远程温度超出范围，或者检测到外部二极管故障时，ALERT 输出会发出信号。该输出为开漏输出，需要上拉电阻连接到 VDD。多个 ALERT 输出可以线或在一起，方便系统进行集中监测。
• THERM 输出：THERM 输出是一个比较器输出，当温度超过编程限制时，可用于关闭系统。此外，ALERT 输出可根据需要重新配置为第二个 THERM 输出。

三、工作原理

（一）温度测量流程

• NCT218 内置的 ADC 以自由运行模式工作，模拟输入多路复用器会交替选择片上温度传感器或远程温度传感器。
• ADC 将这些模拟信号数字化，并将结果存储在本地和远程温度值寄存器中。
• 本地和远程测量结果会与存储在八个片上寄存器中的相应高、低和 THERM 温度限制进行比较。当测量结果超出限制时，会在状态寄存器中生成标志，触发相应的输出信号。

（二）系列电阻消除原理

NCT218 采用先进的温度测量方法，通过在三种不同电流下测量传感器的 VBE 变化，自动消除与外部温度传感器串联的电阻影响。这种方法使用了第三个电流，相比传统的仅使用两个工作电流的技术，能更有效地消除电阻误差。

（三）温度数据处理

测量得到的 ΔVBE 波形会通过一个 65kHz 的低通滤波器去除噪声，然后进入斩波稳定放大器进行放大和整流，产生与 VBE 成比例的直流电压。ADC 将该电压数字化，得到温度测量值。对于低转换率，会对 16 个测量周期的结果进行平均，以减少噪声影响；而在 16 - 、32 - 和 64 - 次/秒的转换率下，不进行数字平均处理。

四、寄存器功能解析

（一）地址指针寄存器

该寄存器本身没有地址，每次写入操作的第一个字节会自动写入此寄存器，其中存储的是 NCT218 上另一个寄存器的地址。上电默认值为 0x00，若上电后立即进行读取操作且未先写入地址指针，将返回本地温度值，因为其寄存器地址为 0x00。

（二）温度值寄存器

NCT218 有三个寄存器用于存储本地和远程温度测量结果，只能由 ADC 写入，用户可通过 I²C 读取。本地温度值寄存器地址为 0x00，外部温度值高字节寄存器地址为 0x01，低字节寄存器地址为 0x10，上电默认值均为 0x00。

（三）配置寄存器

读取地址为 0x03，写入地址为 0x09，上电默认值为 0x00。其中，第 7 位用于屏蔽 ALERT 输出；第 6 位控制设备处于运行模式还是待机模式；第 5 位决定引脚 6 是配置为 ALERT 输出还是 THERM2 输出；第 2 位用于设置温度测量范围。

（四）转换速率寄存器

读取地址为 0x04，写入地址为 0x0A。通过设置该寄存器的最低四位，可将内部振荡器时钟进行 1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024 分频，从而实现不同的转换时间（从 15.5ms 到 16 秒）。默认值为 0x08，对应 16 次/秒的转换速率。使用较慢的转换时间可大幅降低设备功耗。

（五）限制寄存器

NCT218 有八个限制寄存器，用于设置本地和远程温度测量的高、低和 THERM 温度限制。远程温度的高、低限制各跨越两个寄存器，还设有一个 THERM 滞回寄存器。所有限制寄存器均可通过 I²C 进行读写操作。需要注意的是，温度限制的数据格式与温度测量的数据格式相同，若更改了测量范围和数据格式，用户需重新编程限制寄存器。

（六）状态寄存器

地址为 0x02，是一个只读寄存器，包含 NCT218 的状态信息。第 7 位为高时，表示 ADC 正在进行转换；其他位用于标记温度测量超出限制的情况以及远程传感器开路情况。读取该寄存器可清除相应的标志位，但前提是导致标志设置的错误条件已消除。

（七）偏移寄存器

用于消除远程温度测量中的偏移误差，可通过设置寄存器 0x11（高字节）和寄存器 0x12（低字节，左对齐）来存储 10 位补码值的偏移量。上电默认值为 0°C，只有在用户写入不同值时才会生效。

（八）单触发寄存器

地址为 0x0F，用于在 NCT218 处于待机模式时启动一次转换和比较循环，之后设备返回待机状态。写入该寄存器地址会触发一次本地和外部温度通道的转换和比较，写入的数据无关紧要且不会被存储。

（九）连续 ALERT 寄存器

地址为 0x22，写入该寄存器的值决定了在产生 ALERT 之前必须发生的超出限制测量次数，默认值为一次，最大值为 4。该寄存器主要用于对输出进行滤波，在最快的三种转换速率下尤为有用。

五、串行接口通信

（一）I²C 总线通信原理

NCT218 通过与 I²C 兼容的串行接口进行控制，作为从设备连接到总线上，由主设备控制。其具有总线超时功能，默认情况下未启用，可通过设置连续警报寄存器（地址为 0x22）的第 7 位来启用。当启用后，若总线在约 25ms 内无活动，NCT218 会将 SDA 线重置为空闲状态（高阻抗），并等待下一个起始条件。

（二）设备寻址与数据传输

• 设备地址：NCT218 的设备地址为 0x4C。主设备通过总线发送设备地址，具有该地址的从设备会响应。
• 数据传输流程
  • 主设备通过在串行数据线 SDA 上产生高到低的转换（同时串行时钟线 SCL 保持高）来发起数据传输，这表示后续将跟随一个地址/数据流。
  • 数据通过九个时钟脉冲序列在串行总线上传输，包括八位数据和一位来自数据接收方的确认位。数据线上的转换必须在时钟信号的低电平期间发生，并在高电平期间保持稳定。
  • 完成所有数据字节的读写后，会建立停止条件。在写模式下，主设备在第十个时钟脉冲期间将数据线拉高以确认停止条件；在读取模式下，主设备在第九个时钟脉冲之前的低电平期间将数据线拉高（不确认），然后在第十个时钟脉冲期间将数据线拉低再拉高以确认停止条件。

（三）寄存器读写操作

• 写操作：要向设备的数据寄存器写入数据，需先设置地址指针寄存器，使正确的数据寄存器被寻址。写入操作的第一个字节包含要写入的内部数据寄存器的地址，存储在地址指针寄存器中；第二个字节是要写入该寄存器的数据。
• 读操作：若 NCT218 的地址指针寄存器值未知或不是所需值，需先将其设置为正确值，再进行读取操作；若已知地址指针寄存器处于所需地址，则可直接从相应的数据寄存器读取数据。

六、ALERT 输出与应用

（一）ALERT 输出功能

当引脚 6 配置为 ALERT 输出时，只要检测到超出限制的测量值或远程温度传感器开路，ALERT 输出就会变低。它是开漏输出，需要上拉电阻连接到 VDD。多个 ALERT 输出可以线或在一起，当一个或多个 ALERT 输出变低时，公共线会变低。

（二）SMBALERT 功能应用

ALERT 输出可作为处理器的中断信号或 SMBALERT。当连接到公共 SMBALERT 线的设备将其拉低时，主设备会发起读取操作并发送警报响应地址 (ARA = 0001100)，ALERT 输出为低的设备会响应，主设备读取其设备地址，然后可对该设备进行常规询问。若有多个设备的 ALERT 输出为低，设备地址最低的设备具有优先级。

七、低功耗待机模式

通过设置配置寄存器的第 6 位，可将 NCT218 置于低功耗待机模式。在待机模式下，ADC 被禁止，正在进行的转换将被终止，但 I²C 仍处于启用状态。无总线活动时，功耗可降至 12μA。在该模式下，可通过写入单触发寄存器（地址 0x0F）启动一次双通道的单触发转换，完成后设备返回待机状态。同时，也可在待机模式下向限制寄存器写入新值，若温度值寄存器中的值超出新的限制，即使设备仍处于待机状态，也会产生 ALERT 信号。

八、传感器故障检测

NCT218 在其 D + 输入处包含内部传感器故障检测电路，可检测外部远程二极管是否未连接或连接不正确。当 D + 处的电压超过 VDD - 300mV（典型值）时，简单的电压比较器会触发，表明 D + 和 D - 之间存在开路。在启动转换时会检查该比较器的输出，若检测到故障，状态寄存器的第 2 位（开路标志）会置 1。若 ALERT 引脚启用，设置该标志会使 ALERT 输出变低。若用户不希望使用外部传感器，可将 D + 和 D - 输入连接在一起，以防止开路标志持续置位。

九、中断系统

NCT218 有两个中断输出：ALERT 和 THERM，它们具有不同的功能和行为。

• ALERT 中断：可屏蔽，响应软件编程温度限制的违规或外部二极管的开路故障。当外部或本地温度超出编程的高温限制，或等于或低于低温限制，以及外部二极管出现开路故障时，ALERT 输出会被置低。当主设备读取其设备地址并清除状态寄存器，且错误条件已消除时，ALERT 输出会复位。
• THERM 中断：作为故障安全中断输出，不可屏蔽。当外部或本地温度超过编程的 THERM 限制时，THERM 输出会置低。THERM 温度限制通常应等于或高于高温限制。当温度回落至 THERM 限制减去滞后值时，THERM 输出会自动复位。默认的滞后值为 10°C，可在通电后将其重新编程为任意值。引脚 6 可配置为额外的 THERM 输出（THERM2），其功能和复位方式与 THERM 相同。

十、应用注意事项

（一）噪声过滤

在嘈杂环境中使用温度传感器时，传统方法是在 D + 和 D - 引脚之间放置一个电容来对抗噪声，但大电容会影响温度测量的准确性，推荐的最大电容值为 1000pF。而 NCT218 的系列电阻消除功能允许在外部温度传感器和器件之间构建一个滤波器，可有效减少共模和差分噪声，使 NCT218 和远程温度传感器能在嘈杂环境中正常工作。

（二）远程传感二极管的选择与误差补偿

NCT218 可与处理器中的衬底晶体管或分立晶体管配合使用。为减少因晶体管变化而产生的误差，需考虑晶体管的理想因子 nF 以及 NCT218 与 CPU 制造商指定的电流水平是否匹配。若 nF 不等于 1.008 或电流水平不一致，可通过将相应的偏移值写入偏移寄存器来进行补偿。

（三）热惯性与自热问题

测量精度取决于远程传感二极管和/或内部温度传感器的温度与被测温度是否一致。传感器与被测系统的热接触不良、传感器的热惯性以及 NCT218 或远程传感器的自热等因素都可能影响测量精度。在实际应用中，应尽量使传感器与被测部分保持良好的热接触，由于远程传感器通常是处理器中的衬底晶体管或小型封装器件，热惯性问题相对较小；而片上传感器通常远离处理器，主要监测封装周围的一般环境温度。

（四）布局考虑

在数字电路板上，由于 NCT218 测量的是来自远程传感器的非常小的电压，因此需要采取措施尽量减少传感器输入处的噪声。具体措施包括：

• 将 NCT218 尽可能靠近远程传感二极管放置，避免放置在时钟发生器、数据/地址总线和 CRT 等噪声源附近，距离可在 4 英寸至 8 英寸之间。
• 将 D + 和 D - 走线紧密平行排列，并在两侧设置接地保护走线，建议走线宽度和间距为 5 密耳，如有可能，在走线下方提供接地平面。
• 尽量减少可能导致热电偶效应的铜/焊料接头的数量，确保这些接头同时存在于 D + 和 D - 路径中且处于相同温度。
• 在 VDD 引脚附近放置一个 0.1μF 的旁路电容，在极其嘈杂的环境中，可在 D + 和 D - 之间靠近 NCT218 放置一个输入滤波电容，但需确保 D + 和 D - 处的总电容不超过 1000pF。
• 若到远程传感器的距离超过 8 英寸，建议使用双绞线电缆，距离较长（最长可达 100 英尺）时，使用屏蔽双绞线电缆，如 Belden No. 8451 麦克风电缆。将双绞线连接到 D + 和 D - ，屏蔽层连接到靠近 NCT218 的 GND，远程端的屏蔽层不连接，以避免接地环路。

（五）电源上升时间

给 NCT218 上电时，必须确保电源电压在小于 5ms 的时间内上升到 1.32V 以上，否则会导致上电复位，可能产生不可预测的结果。

十一、总结

NCT218 作为一款低电压、高精度的温度监测器，凭借其出色的温度测量精度、系列电阻消除功能、低功耗设计以及灵活的通信和控制接口，在热管理系统中具有广泛的应用前景。在实际设计中，电子工程师需要充分考虑其各项特性和应用注意事项，合理布局和配置，以确保系统的稳定性和可靠性。同时，对于不同的应用场景，如智能手机、平板电脑、卫星导航和智能电池等，还需要根据具体需求对 NCT218 进行优化和调整。大家在使用 NCT218 过程中遇到过哪些问题呢？又是如何解决的呢？欢迎在评论区交流分享。