簡介
您是否想過如何設(shè)計一個具有高電磁兼容性(EMC)性能的精密溫度測量系統(tǒng)?本文將討論精密溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計考慮因素，以及如何在保持測量精度的同時提高系統(tǒng)的EMC性能。我們將以RTD溫度測量為例介紹測試結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，以便我們能夠輕松地從概念開發(fā)出原型和產(chǎn)品并走向市場。
精密溫度測量和EMC挑戰(zhàn)
溫度測量是模擬領(lǐng)域中最常用的一項檢測技術(shù)。許多測量技術(shù)可用來檢測環(huán)境溫度。熱敏電阻是一種小尺寸且簡單的2線制方案，具有快速響應(yīng)時間，但其非線性和有限的溫度范圍限制了其精度和應(yīng)用。RTD是最穩(wěn)定、最精確的溫度測量方法。RTD設(shè)計的難點在于需要外部激勵、復雜電路和校準。沒有溫度測量系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的工程師可能會氣餒。熱電偶(TC)可以提供堅固耐用、便宜、不同測量范圍的解決方案，但完整的熱電偶測溫系統(tǒng)需要冷端補償(CJC)。與熱敏電阻、TC和RTD相比，新型的數(shù)字溫度傳感器可以直接通過數(shù)字接口提供校準的溫度數(shù)據(jù)。精密溫度測量需要高精度溫度傳感器和精密信號鏈來構(gòu)成一個溫度測量系統(tǒng)。TC、RTD和數(shù)字溫度傳感器的精度最高。精密信號鏈器件是可以獲得的，可用來收集這些傳感器信號并將其轉(zhuǎn)換為絕對溫度。在工業(yè)領(lǐng)域，達到0.1°C的精度是我們的目標。這種精度測量不包括傳感器誤差。表1比較了不同類型的溫度傳感器。
表1.不同類型溫度傳感器的比較
創(chuàng)建數(shù)字溫度測量系統(tǒng)時，特別是針對工業(yè)和鐵路等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用時，不僅要關(guān)注精度和設(shè)計難度，EMC性能也是保持系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵特性。系統(tǒng)需要額外的電路和分立器件以提高EMC性能。但是，更多的保護器件意味著更多的誤差源。因此，設(shè)計具有高檢測精度和高EMC性能的溫度測量系統(tǒng)是非常具有挑戰(zhàn)性的。溫度測量系統(tǒng)的EMC性能決定其能否在指定的電磁環(huán)境中正常工作。
ADI公司提供各種溫度測量解決方案，例如精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、模擬前端(AFE)、IC溫度傳感器等。ADI AFE解決方案提供多傳感器高精度數(shù)字溫度測量系統(tǒng)，支持直接TC測量、直接RTD測量、直接熱敏電阻測量和定制傳感器應(yīng)用。當增加EMC保護器件時，一些特殊配置可以幫助保持高測量精度。圖1顯示了經(jīng)典比率式溫度測量電路和計算公式。
圖1.經(jīng)典比率式溫度測量電路和計算公式
以下部分介紹了溫度檢測解決方案，以便系統(tǒng)設(shè)計人員能夠?qū)崿F(xiàn)出色的EMC性能。
RTD溫度測量解決方案
以LTC2983溫度測量AFE為例。系統(tǒng)控制器可以通過SPI接口直接從LTC2983讀取校準的溫度數(shù)據(jù)，精度為0.1°C，分辨率為0.001°C。連接4線RTD時，激勵電流旋轉(zhuǎn)功能可以自動消除熱電偶的寄生效應(yīng)，并降低信號電路漏電流的影響?；谶@些特性，LTC2983可以加速多通道精密溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)高EMC性能而無需復雜的電路設(shè)計，讓您和您的客戶更有信心。圖2顯示了EMC保護的LTC2983溫度測量系統(tǒng)框圖。
圖2.EMC保護的LTC2983溫度測量系統(tǒng)
RTD無疑是高精度溫度測量的出色選擇，可以測量-200°C至+800°C范圍內(nèi)的溫度。100Ω和1000Ω鉑RTD最常見，但也可以由鎳或銅制成。
最簡單的RTD溫度測量系統(tǒng)是2線配置，但引線電阻會引入額外的系統(tǒng)溫度誤差。將兩個匹配的電流源施加到RTD(引線電阻應(yīng)相等)，3線配置便可消除引線電阻誤差。利用高阻抗開爾文檢測直接測量傳感器，開爾文配置或4線配置便可消除平衡或不平衡的引線電阻。然而，成本將是4線配置的主要障礙，因為其需要更多電纜，特別是針對遠距離溫度測量。圖3顯示了不同的RTD接線配置1。考慮到實際的客戶用例，本文選擇了3線RTD配置并測試其EMC性能。
圖3.不同RTD接線配置：(a) 2線，(b) 3線，(c) 4線
2線和3線RTD傳感器還可以在PCB上使用開爾文配置。當需要將限流電阻和RC濾波器添加到信號鏈路以保護器件的模擬輸入引腳時，這些額外的電阻會引入很大的系統(tǒng)失調(diào)。例如，用4線開爾文配置取代2線保護電路可以幫助消除該失調(diào)，因為激勵電流不會流過這些限流電阻和RC濾波器，保護電阻引起的誤差可以忽略不計(參見圖4)。欲了解更多信息，請參閱LTC2986數(shù)據(jù)手冊。
圖4.4線配置消除額外的電阻誤差
溫度測量系統(tǒng)的穩(wěn)健性挑戰(zhàn)
與大多數(shù)溫度測量IC一樣，LTC2983可以耐受2 kV HBM ESD電平。但在工業(yè)自動化、鐵路和其他苛刻電磁環(huán)境中，電子器件需要面對更高的干擾電平和更復雜的EMC事件，例如靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)、輻射敏感性(RS)、傳導敏感性(CS)和浪涌等。
為了降低下游設(shè)備遭到損壞的風險并提高系統(tǒng)的魯棒性，額外的分立保護器件是必要的。
EMC事件的三要素是噪聲源、耦合路徑和接收器。如圖5所示，在該溫度測量系統(tǒng)中，噪聲源來自周圍環(huán)境。耦合路徑是傳感器電纜，LTC2983是接收器。工業(yè)自動化和鐵路應(yīng)用總是使用長傳感器電纜來檢測遠程器件的溫度。傳感器電纜的長度可以是數(shù)米甚至數(shù)十米。較長的電纜導致耦合路徑更大，溫度測量系統(tǒng)面臨更嚴重的EMI挑戰(zhàn)。
圖5.溫度測量系統(tǒng)的EMI事件的三要素
采用TVS的系統(tǒng)級保護解決方案
瞬變電壓抑制器(TVS)和限流電阻是最常見的保護器件。選擇合適的TVS和限流電阻不僅可以提高系統(tǒng)穩(wěn)健性，還能保持系統(tǒng)的高測量性能。表2顯示了TVS器件的主要參數(shù)，包括工作峰值反向電壓、擊穿電壓、最大箝位電壓和最大反向漏電流。工作峰值反向電壓必須高于最大傳感器信號，以確保系統(tǒng)正常工作。擊穿電壓不應(yīng)比信號電壓高很多，以避免產(chǎn)生很寬的無保護電壓范圍。最大箝位電壓決定TVS可以抑制的最大干擾信號電壓。反向漏電流會對系統(tǒng)貢獻很大的測量誤差，因此應(yīng)選擇反向漏電流盡可能小的TVS。
表2.TVS主要參數(shù)
正常工作條件下，TVS器件表現(xiàn)出很高的對地阻抗。將一個大于TVS擊穿電壓的瞬變電壓施加于系統(tǒng)輸入端時，一旦TVS被擊穿，輸入端電壓就會被箝位并提供低阻抗接地路徑，將瞬變電流從輸入端轉(zhuǎn)移到地。
圖2所示為3線PT-1000保護電路。3線PT-1000通過三個相鄰通道連接到LTC2983，其受到SMAJ5.0A TVS和100Ω限流電阻的保護。限流電阻和下游電容形成低通濾波器，以盡可能多地消除輸入線路中的RF成分，使每條線路和地之間的交流信號保持平衡，并在測量帶寬上維持足夠高的輸入阻抗以避免加載信號源2。差分模式濾波器的-3 dB帶寬為7.9 kHz，共模濾波器的-3 dB帶寬為1.6 MHz。
該溫度測量系統(tǒng)依據(jù)IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-3、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5和IEC 61000-4-6標準進行了測試。在這些測試下，系統(tǒng)必須正常工作并提供精確的溫度測量。被測傳感器是B類3線PT-1000，其使用約10 m長的屏蔽線。
表3列出了IEC 61000-4-x抗擾度測試項目、測試電平和系統(tǒng)受EMI事件干擾時的溫度波動。圖6顯示了測試時的輸出溫度數(shù)據(jù)曲線，其對應(yīng)于表3中的最大溫度波動。
表3.EMI測試結(jié)果
增加保護后的溫度測量精度
TVS和限流電阻有助于保護溫度測量系統(tǒng)不受EMC影響。箝位電壓越低的TVS，越能保護敏感電路。但反過來，它們可能產(chǎn)生系統(tǒng)誤差。為了應(yīng)對這種情況，我們必須使用具有更高擊穿電壓的TVS，因為更高的擊穿電壓意味著在正常工作電壓下漏電流更少。TVS漏電流越低，則給系統(tǒng)增加的誤差越小。
圖6.測試時的輸出溫度數(shù)據(jù)曲線
表4.Littelfuse SMAJ5.0A TVS的電氣特性
考慮這些因素，我們使用了一個Littelfuse SMAJ5.0A TVS(可以在大多數(shù)電子元器件經(jīng)銷商那里買到)和一個精度為±0.1%的100Ω限流電阻來保護系統(tǒng)，避免引入任何顯著的測量誤差。
為了實現(xiàn)高測量精度，我們使用精密電阻矩陣來替換PT-1000傳感器并模擬溫度變化。該精密電阻矩陣已利用Keysight Technologies 3458A萬用表進行了校準。
為了減輕消除匹配引線電阻誤差的困難，我們使用4線配置來評估系統(tǒng)的精度性能。這更有利于消除傳感器誤差。
為了更準確地計算系統(tǒng)誤差，我們需要使用與LTC2983相同的標準將電阻值轉(zhuǎn)換為溫度。傳感器制造商發(fā)布的溫度查找表是最準確的轉(zhuǎn)換方法。但是，將每個溫度點寫入處理器的存儲器中是不明智的。因此，我們使用以下公式來計算溫度結(jié)果3。
當T > 0°C時，公式為：
計算對應(yīng)于電阻值的溫度：
當T ≤ 0°C時，公式為：
溫度通過多項式擬合得到：
其中：
T為RTD溫度(°C)。
RRTD(T)為RTD電阻(Ω)。
R0為RTD在0°C時的電阻(R0 = 1000 Ω)。
A = 3.9083 × 10?3
B = –5.775 × 10-7
C = ?4.183 × 10?12
圖7顯示，在-134°C至+607°C的溫度范圍內(nèi)，總系統(tǒng)誤差不超過±0.4°C。與圖9(顯示了LTC2983對RTD溫度測量的誤差貢獻)相比，附加保護器件增加了大約±0.3°C的系統(tǒng)誤差，尤其是TVS漏電流。可以看到，隨著溫度升高，系統(tǒng)誤差增加。這就涉及到TVS的I-V曲線特性。
圖7.系統(tǒng)誤差與溫度的關(guān)系
系統(tǒng)誤差可計算如下：
其中：
Terror為LTC2983溫度測量系統(tǒng)的總輸出誤差(°C)。
Tcal為利用精密電阻計算的溫度(°C)，已利用Keysight Technologies 3458A進行校準。
TLTC2983是LTC2983輸出溫度(°C)。
圖8說明，系統(tǒng)總峰峰值噪聲不超過±0.01°C，此結(jié)果符合數(shù)據(jù)手冊規(guī)格。
圖8.系統(tǒng)峰峰值噪聲與溫度的關(guān)系
圖9.LTC2983對RTD溫度測量的誤差貢獻
圖10.激勵電流旋轉(zhuǎn)配置：(a) 正向激勵流，(b) 反向激勵流
TVS誤差貢獻和優(yōu)化配置
TVS的I-V曲線特性可以從器件的數(shù)據(jù)手冊中找到。然而，大多數(shù)TVS制造商僅提供器件參數(shù)的典型值，而不是計算TVS在特定電壓下的誤差貢獻(尤其是漏電流誤差)所需的全部I-V數(shù)據(jù)。
本應(yīng)用中使用Littelfuse SMAJ5.0A TVS。測試一些樣品之后，我們發(fā)現(xiàn)漏電流在1 V反向電壓約為1μA，遠小于TVS數(shù)據(jù)手冊給出的最大反向漏電流。這種漏電流會產(chǎn)生重大系統(tǒng)誤差。但是，如果使能LTC2983的激勵電流旋轉(zhuǎn)，則會大大減少漏電流誤差效應(yīng)。圖10顯示了激勵電流旋轉(zhuǎn)配置和TVS漏電流流動。
當Rsense與流過RTD的激勵電流相同時，RTD的電阻RT可以表示為4：
當對正向激勵流使用激勵電流旋轉(zhuǎn)配置時(如圖10(a)所示)，RTD電阻RRTD1計算如下：
其中：
Rsense為檢測電阻的實際電阻值
RRTD為測量周期中RTD的實際電阻值
Vsense1為檢測電阻處的實測電壓值
VRTD1為正向激勵流周期中RTD的實測電壓值，如圖10(a)所示。
RRTD1為正向激勵流周期中RTD的計算值
當對反向激勵流使用激勵電流旋轉(zhuǎn)配置時(如圖10(b)所示)，RTD電阻RRTD2計算如下：
其中：
Vsense2為檢測電阻的實測電壓值。
VRTD2為反向激勵流周期中RTD的實測電壓值，如所示圖10(b)所示。
RRTD2為反向激勵流周期中RTD的計算值
根據(jù)TVS測量數(shù)據(jù)，在2 V反向電壓下，最大漏電流和最小漏電流之差平均約為10%。四個TVS的位置和匹配程度可能會引起相當大的系統(tǒng)誤差。為了顯示誤差最大的情況，我們可以假設(shè)ITVS為平均漏電流，ITVS1 = ITVS2 = 0.9 × ITVS，而ITVS3 = ITVS4 = 1.1 × ITVS。
如果不使用激勵電流旋轉(zhuǎn)配置，RRTD1或RRTD2將包括最大TVS誤差貢獻。
或
為誤差因子。
使用激勵電流旋轉(zhuǎn)配置時，最終計算結(jié)果為：
當Error(RRTDROT) = min {Error(RRTD1), Error(RRTD2)}時，Error (RRTDROT)將等于Error (RRTD1)，或者Error(RRTDROT)將等于Error(RRTD2)。根據(jù)公式13至公式18，當Iexc = 6 × ITVS，Error (RRTDROT)將等于min {Error(RRTD1), Error(RRTD2)}。當Iexc = 6 × ITVS時，由于TVS漏電流，系統(tǒng)的精度將會降低16.7%。
根據(jù)配置和測試結(jié)果，Iexc > 6 × ITVS，因此
Error(RRTDROT) < min{Error(RRTD1), Error(RRTD2)}
Error(RRTDROT) < min{Error(RRTD1), Error(RRTD2)}
通常，Iexc > 100 × ITVS。圖11顯示了系統(tǒng)誤差，其中：
RRTDROT為采用激勵電流旋轉(zhuǎn)時的最終RTD電阻計算結(jié)果。
Error(RRTDROT)在使用激勵電流旋轉(zhuǎn)配置時的TVS誤差貢獻，單位為°C。
Error(RRTD1)和Error(RRTD2)是不使用旋轉(zhuǎn)配置時的TVS誤差貢獻，單位為°C。
上面的推導告訴我們，激勵電流旋轉(zhuǎn)配置可以減少TVS漏電流的誤差貢獻。以下測試結(jié)果證實了我們的斷言。
圖11顯示了不同激勵電流模式和TVS配置的系統(tǒng)誤差。如圖所示，當不使用TVS時，旋轉(zhuǎn)和非旋轉(zhuǎn)配置的系統(tǒng)精度大致相同。然而，使能激勵電流旋轉(zhuǎn)會自動消除寄生熱電偶效應(yīng)，對此的更詳細說明請參閱LTC2983數(shù)據(jù)手冊。使用TVS保護系統(tǒng)時，總系統(tǒng)誤差會增加。但是，激勵電流旋轉(zhuǎn)配置可以顯著降低TVS漏電流的誤差影響，從而有助于在大部分溫度測量范圍內(nèi)實現(xiàn)與非TVS保護系統(tǒng)類似的精度水平。與沒有TVS的系統(tǒng)相比，額外的誤差是由TVS器件間差異貢獻的。
圖11.系統(tǒng)誤差與不同硬件和軟件配置的關(guān)系
結(jié)論
溫度測量系統(tǒng)設(shè)計常被認為不是艱巨的任務(wù)。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計人員而言，開發(fā)高度精確且穩(wěn)健的溫度測量系統(tǒng)是一個挑戰(zhàn)。LTC2983智能數(shù)字溫度傳感器可以幫助戰(zhàn)勝這一挑戰(zhàn)，開發(fā)出可以快速推向市場的產(chǎn)品。
? 這種受保護的LTC2983溫度測量系統(tǒng)具有±0.4°C的系統(tǒng)精度。測量誤差包括LTC2983誤差、TVS/限流電阻誤差和PCB誤差貢獻。
? LTC2983旋轉(zhuǎn)激勵電流配置可以顯著減少保護器件的漏電流誤差效應(yīng)。
? LTC2983溫度測量系統(tǒng)可以在常見保護器件的加持下提供高EMC性能。有關(guān)EMI測試結(jié)果，請參閱表3。
本文給出了某些特定配置的精度和EMC性能測試結(jié)果。您可以選擇不同的TVS器件和限流電阻來獲得不同的測量精度和EMC性能，以滿足您的生產(chǎn)需求。
參考資料
1 Logan Cummings。“Robust Industrial Sensing with the Temperature-to-Bits Family”(采用溫度轉(zhuǎn)比特系列產(chǎn)品實現(xiàn)魯棒的工業(yè)檢測)。Journal of Analog Innovation，第27卷第1號。凌力爾特，2017年4月。
2 Colm Slattery、Derrick Hartmann和Li Ke?！癝implifying design of industrial process-control systems with PLC evaluation boards”(利用PLC評估板簡化工業(yè)過程控制系統(tǒng)設(shè)計)。EE Times，2009年8月。
3 CN0383：采用低功耗、精密、24位Σ-Δ ADC的全集成式2線、3線或4線RTD測量系統(tǒng)。ADI公司，2020年10月。
4 Tom Domanski。“利用LTC2983溫度轉(zhuǎn)比特IC優(yōu)化RTD溫度測量的檢測電阻成本和精度”。ADI公司。
作者簡介
Jon Geng于2018年加入ADI公司，現(xiàn)為中國核心應(yīng)用中心的應(yīng)用工程師。他的專業(yè)領(lǐng)域是開關(guān)、MXU、基準電壓源、溫度傳感器和煙霧檢測。Jon于2018年從貴州大學獲得機械工程碩士學位，于2015年從河北師范大學獲得電子工程學士學位。
Li Ke是位于愛爾蘭利默里克的自動化與能源事業(yè)部的系統(tǒng)應(yīng)用工程師。Li于2007年在中國上海加入ADI公司，擔任精密轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品線產(chǎn)品應(yīng)用工程師。此前，他曾在Agilent Technologies公司的化學分析部門擔任過四年的研發(fā)工程師。他于1999年獲得西安交通大學電子工程學士學位，并于2003年獲得西安交通大學生物醫(yī)學工程碩士學位。
Karl Wei于2000年加入ADI公司，現(xiàn)為中國核心應(yīng)用團隊的系統(tǒng)應(yīng)用經(jīng)理。他的專業(yè)領(lǐng)域是工業(yè)應(yīng)用中的精密信號鏈。此前，他在IC測試開發(fā)工程和營銷領(lǐng)域工作了8年。他于1992年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，獲得電氣工程碩士學位。
