在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將測(cè)試如何使用 Silego GreenPAK 構(gòu)建溫度傳感系統(tǒng)。

本實(shí)驗(yàn)的目的是測(cè)試 GreenPAK 器件在溫度傳感應(yīng)用中的可用性，特別是對(duì)于溫度域?yàn)?25°C 至 100°C 的 CPU 處理器。溫度傳感系統(tǒng)使用遠(yuǎn)程溫度傳感器 2N3904（二極管連接）和在 GreenPAK 器件中實(shí)現(xiàn)的控制邏輯。目標(biāo)是使用 SLG46537 芯片實(shí)現(xiàn) +/- 1°C 的內(nèi)部溫度精度。

圖 1.實(shí)現(xiàn)雙電流法的溫度傳感器應(yīng)用電路

理論

兩流法

雙電流法是一種使用兩個(gè)電流源、一個(gè)二極管、電容器和 FET 開關(guān)的電壓減法方法（參見圖 1）。它旨在放大由兩個(gè)不同電流 I_L 和 I_H 引起的二極管上的電壓差。

二極管的正向電壓根據(jù)二極管兩端的電流感應(yīng)電場(chǎng)而變化。通過在兩個(gè)已知電流下減去正向電壓，我們可以消除常見變量，例如偏移和飽和電流。二極管的正向偏置電流ID與飽和電流 Is和正向電壓 VD相關(guān)，公式如下：

ID= IseVD/ηVT

其中η是二極管的理想因子，VT= kT/q。k是玻爾茲曼常數(shù)，q是電子電荷常數(shù)。對(duì)于此示例，I_H 將是偏置電流 I1，而 I_L 將是偏置電流 I2。因此，它們的正向偏置電流方程分別為：

I1= IseV1/ηVT

I2= IseV2/ηVT

通過劃分兩個(gè)正向偏置電流方程，我們消除了飽和電流并將輸入電流變量減少到一個(gè)標(biāo)量因子N。

I1?I2= N = e(V1-V2)/ηVT

如果 N 已知，則通過測(cè)量 V1 和 V2 之間的差異，我們可以計(jì)算溫度T。

ln(N) = (V1-V2)q/(ηkT)

T = (V1-V2)q/(ηkln(N))

理想因子η

雖然k和q是常數(shù)并且不會(huì)因部件而異，但理想因子η確實(shí)在值 1 和 2 之間變化。該值越接近 1，載流子擴(kuò)散的主導(dǎo)地位就越大。該值越接近 2，重組越多。該值越高，溫度測(cè)量的錯(cuò)誤越多，因?yàn)闇囟葧?huì)高度影響復(fù)合而不是擴(kuò)散。[1]

在選擇遠(yuǎn)程溫度二極管時(shí)，遠(yuǎn)程二極管連接的晶體管（基極-集電極結(jié)被短路的 BJT）比整流二極管更好，因?yàn)樗鼈兊睦硐胫凳侵付ǖ摹缀跛?BJT 晶體管的理想因子都接近 1。

其他重要參數(shù)包括正向電流增益β和串聯(lián)電阻Rs。正向電流增益隨溫度和集電極電流而變化，串聯(lián)電阻在所有溫度下呈現(xiàn)恒定偏移。建議選擇β在兩個(gè)電流 I_H 和 I_L 之間變化的器件。

實(shí)驗(yàn)電路

實(shí)驗(yàn)的目的是通過測(cè)試幾個(gè)點(diǎn)來測(cè)量一般的溫度偏差：40°C、60°C 和 80°C。

圖 2 顯示了實(shí)驗(yàn)中使用的應(yīng)用電路的框圖。

圖 2.溫度檢測(cè)應(yīng)用電路的 GPAK 框圖

電阻器 R3 和 R4 提供圖 1 中的電流 I_H 和 I_L。開關(guān) NMOS 和 PMOS 位于 GreenPAK 內(nèi)部（PIN 13 和 PIN 15）。內(nèi)部 GreenPAK 設(shè)計(jì)如圖 3 所示，該傳感器的更新時(shí)間為 10ms。

圖 3.內(nèi)部 GPAK 設(shè)計(jì)

當(dāng) NMOS 拉低且 PMOS 懸空時(shí)，電容 C4 由 I_L 充電。當(dāng) PMOS 拉高且 NMOS 懸空時(shí)，C4 以 I_H 充電。系統(tǒng)的控制邏輯經(jīng)過編程以提供死區(qū)時(shí)間（在 NMOS 和 PMOS 導(dǎo)通時(shí)間之間），以獲得 C4 上的電壓差。

這種差異進(jìn)入運(yùn)算放大器（Silego 的SLG88103）的 IN+ 輸入。C4 兩端的電壓波形如圖 4 所示。

圖 4.C4 兩端的電壓波形

GPAK 器件的引腳 7 連接到具有可變電阻的分壓器（微調(diào)電位器），用于調(diào)整內(nèi)部 GPAK 設(shè)計(jì)中模擬比較器 ACMP0 的開關(guān)電壓。開關(guān)電壓是 PIN 7 上的電壓達(dá)到 PIN 6 上的電壓（運(yùn)算放大器輸出電壓）的時(shí)刻。運(yùn)算放大器的輸出電壓（以及因此 ACMP0 的開關(guān)電壓）在不同的溫度下是不同的。

因此，在實(shí)驗(yàn)中，調(diào)整 P1 的電阻，直到發(fā)生切換時(shí)刻。根據(jù)測(cè)量的電位器 P1 的電阻，可以計(jì)算出 ACMP0 的開關(guān)電壓 (Vref)。

結(jié)果

GPAK 引起的誤差（溫度測(cè)量精度）是通過測(cè)試多個(gè)設(shè)備（三個(gè) GPAK 設(shè)備）的輸出來測(cè)量的。僅具有一種不同組件（GPAK5 器件）的三個(gè)傳感器電路的測(cè)試結(jié)果記錄在表 1、2 和 3 中，其中：

烤箱內(nèi)的溫度是用熱電偶測(cè)量的。

P1 的電阻是用 Fluke 萬用表測(cè)量的。

Vref 值是根據(jù) P1 的電阻值計(jì)算得出的。

表 1. GPAK5_1

表 2. GPAK5_2

表 3. GPAK5_3

用圖 2 中的圖表進(jìn)一步總結(jié)了結(jié)果。

圖 2.基于使用不同 GPAK 設(shè)備的三個(gè)傳感器的測(cè)量結(jié)果的圖表

圖 2 顯示傳感器 2 和 3 給出了重疊的線性圖，而傳感器 1 給出了非常接近傳感器 1 呈現(xiàn)的線性趨勢(shì)線的線。

傳感器 2 和 3 的曲線斜率以及傳感器 1 的趨勢(shì)線為 1.7mV/1°C（在 T=40°C 和 T=80°C 之間）。三個(gè) GPAK 器件的測(cè)量值之間的最大差異為 2mV。這意味著 GPAK 引入了大約 1°C 的部件間誤差。

錯(cuò)誤源

模擬比較器

GreenPAK 設(shè)計(jì)表明，部件間的差異最有可能發(fā)生在模擬比較器組件 (ACMP0) 上。此應(yīng)用程序設(shè)計(jì)中的ACMP0 設(shè)置如下：

IN+ 源：pin6

IN-：分機(jī)。參考電壓 (pin7)

IN+增益=1

滯后：禁用。

ACMP 的失調(diào)電壓（以及開關(guān)電壓）隨溫度和電源電壓而變化。實(shí)驗(yàn)的結(jié)論是基于對(duì)三個(gè) GPAK 樣本的測(cè)量——對(duì)于統(tǒng)計(jì)分析來說太少了。

作為典型表示，我們可以使用 Silego 的 ACMP Offset Voltage char 數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)基于一組 35 個(gè)在溫度和電壓下測(cè)試的組件。在室溫下測(cè)量的 Ext.Vref=600mV 和 5V 電源電壓的組件 ACMP 偏移結(jié)果如表 4 所示。

表 4

表 4.Ext.Vref=600mV_AutoPWR、35 個(gè)組件、室溫的 ACMP 偏移測(cè)試

Silego 的 Voffset 計(jì)算基于以下等式：

V偏移= 最大值 (|Vref,Ext-Vih| , |Vref,Ext-Vil|)

數(shù)據(jù)精度 +/- 0.2mV

基于 35 個(gè)組件的測(cè)試結(jié)果表明，ACMP 偏移可高達(dá) 4.366 mV，這可能會(huì)引入高達(dá) 2.5°C 的誤差。

2N3904 組件

影響溫度測(cè)量精度（遠(yuǎn)程精度）的晶體管參數(shù)是正向電流增益β(I) 和串聯(lián)電阻Rs。根據(jù) 2N3904 的 Microchip 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)，這些參數(shù)對(duì)整個(gè)傳感器源電流范圍 (4.5-920uA) 內(nèi)的溫度測(cè)量精度影響很小。[1]

圖 3 顯示了 Microchip 測(cè)試的晶體管的典型 β 值，可以作為有限數(shù)量的 2N3904 晶體管的典型表示。[1]公式 3 給出了溫度誤差，這是由于 80 °C 時(shí) 0.02°C 左右的所示 β 變化。類似地，使用 Microchip 的 2N3904 組（約 0.7 歐姆）的Rs數(shù)據(jù)和公式 4 會(huì)產(chǎn)生溫度誤差，因?yàn)?Rs 約為 0.8°C。[1]

圖 3.23°C 時(shí) 2N3904 晶體管的典型 beta 值（Microchip 實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)）

運(yùn)算放大器的考慮

SLG88103 電壓偏移通常為 0.35mV（對(duì)于接近 VSS（接地）的 VCM，最高為 2.4mV），再加上通常為 0.16mV (T=80°C) 以增加偏移隨溫度的漂移。典型值會(huì)引入來自此應(yīng)用的運(yùn)算放大器的小誤差。然而，考慮到最大偏移值，SLG88103 運(yùn)算放大器可能會(huì)引入超過 1°C 的誤差。

結(jié)論

實(shí)驗(yàn)中使用的溫度傳感系統(tǒng)的輸出增益為 1.7 (mV/°C)。

基于三個(gè) GreenPAK 器件樣本的測(cè)試結(jié)果表明，僅在溫度傳感系統(tǒng)中實(shí)施 GreenPAK 會(huì)引入大約 1°C 的誤差。

傳感器的主要特性基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果，其中溫度域適用于遠(yuǎn)程傳感器，而帶有 GreenPAK 的內(nèi)部溫度系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)期間保持在室溫下。要查看此項(xiàng)目的應(yīng)用說明和設(shè)計(jì)文件，請(qǐng)單擊此處。

GreenPAK 主要特點(diǎn)

溫度域 (25°C - 100°C)

準(zhǔn)確性

±1°C 遠(yuǎn)程溫度精度（2N3904 傳感器的精度）

±1.5°C 內(nèi)部溫度精度

1.7V-5.5V 電源電壓

10ms 更新時(shí)間

1.7 (mV/°C) 輸出增益

29μA 靜態(tài)電流