onsemi N34TS108數(shù)字溫度傳感器：設(shè)計與應(yīng)用全解析

在電子設(shè)備的設(shè)計中，精確的溫度監(jiān)測與控制至關(guān)重要。onsemi的N34TS108數(shù)字溫度傳感器憑借其出色的性能和豐富的功能，成為了眾多應(yīng)用場景中的理想選擇。今天，我們就來深入了解一下這款傳感器。

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一、產(chǎn)品概述

N34TS108是一款數(shù)字輸出溫度傳感器，具備動態(tài)可編程的極限窗口以及欠溫和過溫警報功能。這些特性使得它無需控制器或應(yīng)用處理器頻繁讀取溫度，就能實現(xiàn)優(yōu)化的溫度控制。它兼容SMBus和兩線接口，并且在一條總線上最多可連接三個設(shè)備，同時支持SMBus警報功能。該傳感器適用于各種消費、計算機和環(huán)境應(yīng)用中的熱管理優(yōu)化，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。

功能框圖

二、產(chǎn)品特性

2.1 高精度測量

• 在 -20°C 至 +85°C 范圍內(nèi)，精度可達 ±0.75°C（最大）；在 -40°C 至 +125°C 范圍內(nèi)，精度為 ±1°C（最大）。如此高的精度能夠滿足大多數(shù)應(yīng)用場景對溫度測量的要求。

  2.2 低靜態(tài)電流

  在 -40°C 至 +125°C 的整個工作溫度范圍內(nèi)，靜態(tài)電流僅為 6μA，這對于需要長時間運行且對功耗敏感的設(shè)備來說非常重要。

  2.3 寬電源范圍

  電源電壓范圍為 1.4V 至 3.6V，這使得它可以適應(yīng)不同的電源系統(tǒng)，提高了產(chǎn)品的通用性。

  2.4 高分辨率

  具備 12 位分辨率，對應(yīng) 0.0625°C 的溫度分辨率，能夠更精確地感知溫度變化。

  2.5 小封裝形式

  提供 1.2mm × 0.8mm 的 6 球 WCSP 和 2.0mm × 2.0mm 的 UDFN6 兩種封裝形式，適合對空間要求較高的應(yīng)用。

三、典型應(yīng)用

3.1 智能手機和平板電腦熱管理

隨著智能手機和平板電腦性能的不斷提升，發(fā)熱問題日益突出。N34TS108 可以實時監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部溫度，當(dāng)溫度過高時及時發(fā)出警報，幫助系統(tǒng)采取相應(yīng)的散熱措施，保證設(shè)備的穩(wěn)定運行。

3.2 電池管理

在電池充放電過程中，溫度對電池的性能和壽命有著重要影響。通過使用 N34TS108 監(jiān)測電池溫度，可以避免電池在過高或過低溫度下工作，延長電池使用壽命。

3.3 恒溫器控制

在恒溫器應(yīng)用中，N34TS108 能夠精確測量環(huán)境溫度，并根據(jù)設(shè)定的溫度范圍進行自動調(diào)節(jié)，實現(xiàn)恒溫控制。

3.4 環(huán)境監(jiān)測和 HVAC 系統(tǒng)

在環(huán)境監(jiān)測和 HVAC（供熱、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)）系統(tǒng)中，N34TS108 可以實時監(jiān)測環(huán)境溫度，為系統(tǒng)的運行提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

四、電氣特性

4.1 絕對最大額定值

需要注意的是，超過這些最大額定值可能會損壞設(shè)備，影響其功能和可靠性。

4.2 直流工作特性

在不同的工作條件下，N34TS108 具有不同的電氣特性。例如，在溫度輸入方面，其測量范圍為 -40°C 至 +125°C，在不同溫度區(qū)間有著不同的精度表現(xiàn)。在數(shù)字輸入/輸出方面，規(guī)定了輸入邏輯高電平、低電平、輸入電流、輸出邏輯低電平等參數(shù)。在電源方面，給出了工作電源范圍、靜態(tài)電流和關(guān)斷電流等參數(shù)。這些參數(shù)為工程師在設(shè)計電路時提供了重要的參考依據(jù)。

4.3 交流工作特性

N34TS108 支持快速模式（0.001 - 0.4MHz）和高速模式（0.001 - 3.4MHz）的 SCL 操作頻率。在不同的電源電壓和工作模式下，對總線空閑時間、重復(fù)啟動條件的保持時間和建立時間、停止條件的建立時間、數(shù)據(jù)保持時間和建立時間、SCL 時鐘低周期和高周期等交流參數(shù)都有相應(yīng)的規(guī)定。這些參數(shù)確保了傳感器在不同工作頻率下的穩(wěn)定通信。

五、內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)

5.1 指針寄存器

通過 8 位指針寄存器可以尋址特定的數(shù)據(jù)寄存器。指針寄存器使用兩個最低有效位（LSBs）來識別哪個數(shù)據(jù)寄存器響應(yīng)讀寫命令。其 P1 和 P0 位的上電復(fù)位值為 ‘00’。不同的 P1 和 P0 組合對應(yīng)不同的寄存器，如溫度寄存器、配置寄存器、TLow 寄存器和 THIGH 寄存器。

5.2 溫度寄存器

溫度寄存器是一個 12 位的只讀寄存器，存儲最近一次轉(zhuǎn)換的輸出結(jié)果。需要讀取兩個字節(jié)才能獲得完整的數(shù)據(jù)，其中第一個字節(jié)是最高有效字節(jié)，第二個字節(jié)是最低有效字節(jié)。每個最低有效位（LSB）對應(yīng) 0.0625°C 的溫度變化，負數(shù)采用二進制補碼格式表示。上電或復(fù)位后，溫度寄存器在第一次轉(zhuǎn)換完成前顯示為 0°C，未使用的位始終讀取為 ‘0’。

5.3 配置寄存器

配置寄存器是一個 16 位的讀寫寄存器，用于存儲控制溫度傳感器操作模式的位。讀寫操作先處理最高有效位（MSB）。該寄存器包含多個控制位，如滯后控制位（HYS1 和 HYS0）、極性位（POL）、模式位（M1 和 M0）、恒溫器模式位（TM）、溫度看門狗標(biāo)志位（FL 和 FH）以及轉(zhuǎn)換速率位（CR1 和 CR0）。

• 滯后控制（HYS1 和 HYS0）：在比較器模式下，這兩個位可以將 N34TS108 的極限比較滯后配置為 0°C、1°C、2°C 或 4°C，默認滯后為 1°C。
• 極性（POL）：通過 POL 位可以編程 ALERT 引腳的極性。默認情況下，ALERT 為低電平有效；當(dāng) POL = ‘1’ 時，ALERT 引腳為高電平有效。
• 模式位（M1 和 M0）：可以設(shè)置為三種不同的模式：關(guān)機模式、單次模式或連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。關(guān)機模式可以降低功耗；單次模式在需要時進行單次溫度轉(zhuǎn)換，完成后返回關(guān)機狀態(tài)，有助于減少不必要的功耗；連續(xù)轉(zhuǎn)換模式則以由轉(zhuǎn)換速率位（CR1 和 CR0）確定的速率進行連續(xù)轉(zhuǎn)換。
• 恒溫器模式（TM）：指示設(shè)備是工作在比較器模式（TM = ‘0’）還是中斷模式（TM = ‘1’，默認）。
• 溫度看門狗標(biāo)志（FL 和 FH）：用于比較每次轉(zhuǎn)換結(jié)束時設(shè)備溫度與溫度極限寄存器（THIGH 和 TLOW）中存儲的值。如果溫度超過 THIGH 寄存器的值，F(xiàn)H 標(biāo)志位設(shè)置為 ‘1’；如果溫度低于 TLOW 寄存器的值，F(xiàn)L 標(biāo)志位設(shè)置為 ‘1’。
• 轉(zhuǎn)換速率：CR1 和 CR0 位可以將 N34TS108 的轉(zhuǎn)換速率配置為 0.25Hz、1Hz、4Hz 或 16Hz，默認速率為 1Hz。

5.4 高低極限寄存器

在比較器模式（TM = ‘0’）下，當(dāng)溫度超過 THIGH 寄存器的值或低于 TLOW 寄存器的值時，ALERT 引腳變?yōu)橛行В钡綔囟然氐?(TLOW + HYS) 和 (THIGH - HYS) 范圍內(nèi)才恢復(fù)無效。在中斷模式（TM = ‘1’）下，當(dāng)溫度超過 THIGH 寄存器的值或低于 TLOW 寄存器的值時，ALERT 引腳變?yōu)橛行В钡阶x取配置寄存器或設(shè)備成功響應(yīng) SMBus 警報響應(yīng)地址才恢復(fù)無效。上電（復(fù)位）默認值為 THIGH = +127.9375°C 和 TLOW = -128°C，確保上電時極限窗口設(shè)置為最大，ALERT 引腳在寄存器中編程所需的極限值之前不會變?yōu)橛行А?/p>

六、串行接口

6.1 串行總線地址

N34TS108 作為從設(shè)備在兩線總線和 SMBus 上運行。通過 SDA 和 SCL 這兩個開漏 I/O 線連接到總線，這兩個引腳集成了尖峰抑制濾波器和施密特觸發(fā)器，以減少輸入尖峰和總線噪聲的影響。它支持快速（1kHz 至 400kHz）和高速（1kHz 至 3.4MHz）模式的傳輸協(xié)議，所有數(shù)據(jù)字節(jié)先傳輸最高有效位（MSB）。通過地址引腳 A0，可以在單條總線上對最多三個設(shè)備進行尋址，不同的 A0 引腳連接對應(yīng)不同的設(shè)備地址。

6.2 總線概述

在總線通信中，發(fā)起傳輸?shù)脑O(shè)備稱為主設(shè)備，受主設(shè)備控制的設(shè)備稱為從設(shè)備。主設(shè)備負責(zé)生成串行時鐘（SCL）、控制總線訪問以及生成起始和停止條件。通過拉低 SDA 線同時 SCL 為高電平來發(fā)起起始條件，所有從設(shè)備會接收從設(shè)備地址字節(jié)，最后一位指示后續(xù)是讀操作還是寫操作。在第九個時鐘脈沖時，被尋址的從設(shè)備通過拉低 SDA 線生成確認位來響應(yīng)主設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸在八個時鐘脈沖后跟隨一個確認位進行，在數(shù)據(jù)傳輸期間，SCL 為高電平時 SDA 必須保持穩(wěn)定。傳輸結(jié)束后，主設(shè)備通過在 SCL 為高電平時將 SDA 從低電平拉高來生成停止條件。

6.3 讀寫操作

要訪問 N34TS108 上的特定寄存器，需要將適當(dāng)?shù)闹祵懭胫羔樇拇嫫鳌Ｖ羔樇拇嫫鞯闹凳窃趶脑O(shè)備地址字節(jié)之后傳輸?shù)牡谝粋€字節(jié)，并且寫操作的 R/W 位為低。讀取操作時，使用上次寫操作存儲在指針寄存器中的值來確定要讀取的寄存器。如果需要更改讀取操作的寄存器指針，需要向指針寄存器寫入新的值。寄存器字節(jié)先傳輸最高有效字節(jié)，然后是最低有效字節(jié)。

6.4 從模式操作

N34TS108 可以作為從接收器或從發(fā)送器工作。

• 從接收器模式：主設(shè)備發(fā)送的第一個字節(jié)是從設(shè)備地址，R/W 位為低。N34TS108 確認接收到有效地址后，主設(shè)備發(fā)送指針寄存器，N34TS108 再次確認。隨后的數(shù)據(jù)字節(jié)被寫入指針寄存器指定的寄存器，N34TS108 對每個數(shù)據(jù)字節(jié)進行確認。主設(shè)備可以通過生成起始或停止條件來終止數(shù)據(jù)傳輸。
• 從發(fā)送器模式：主設(shè)備發(fā)送的第一個字節(jié)是從設(shè)備地址，R/W 位為高。N34TS108 確認接收到有效地址后，發(fā)送指針寄存器指示的寄存器的最高有效字節(jié)，主設(shè)備確認接收。接著發(fā)送最低有效字節(jié)，主設(shè)備再次確認。主設(shè)備可以通過在接收任何數(shù)據(jù)字節(jié)時生成非確認位或生成起始或停止條件來終止數(shù)據(jù)傳輸。

  6.5 SMBus 警報功能

  N34TS108 支持 SMBus 警報功能。在中斷模式（TM = ‘1’）下，ALERT 引腳可以作為 SMBus 警報信號連接。當(dāng)主設(shè)備檢測到 ALERT 線上存在警報條件時，會向總線發(fā)送 SMBus 警報命令（00011001）。如果 ALERT 引腳有效，設(shè)備會確認 SMBus 警報命令，并在 SDA 線上返回其從設(shè)備地址。從設(shè)備地址字節(jié)的第八位（LSB）指示警報條件是由溫度超過 THIGH 還是低于 TLOW 引起的。如果總線上有多個設(shè)備響應(yīng) SMBus 警報命令，仲裁會確定哪個設(shè)備先清除其警報狀態(tài)。

  6.6 通用調(diào)用

  N34TS108 響應(yīng)兩線通用調(diào)用地址（0000000），前提是第八位為 ‘0’。設(shè)備會確認通用調(diào)用地址并響應(yīng)第二個字節(jié)中的命令。如果第二個字節(jié)是 00000100，N34TS108 會鎖存地址引腳的狀態(tài)，但不復(fù)位；如果第二個字節(jié)是 00000110，N34TS108 的內(nèi)部寄存器會復(fù)位為上電值。該設(shè)備不支持通用地址獲取命令。

  6.7 高速（Hs）模式

  為了使兩線總線在高于 400kHz 的頻率下運行，主設(shè)備必須在起始條件后發(fā)送 SMBus Hs 模式主代碼（00001xxx）作為第一個字節(jié)，將總線切換到高速操作。N34TS108 不確認該字節(jié)，但會切換其 SDA 和 SCL 上的輸入濾波器以及 SDA 上的輸出濾波器以在 Hs 模式下工作，允許最高 3.4MHz 的傳輸。在發(fā)出 Hs 模式主代碼后，主設(shè)備發(fā)送兩線從設(shè)備地址來啟動數(shù)據(jù)傳輸操作。總線會一直保持在 Hs 模式，直到總線上出現(xiàn)停止條件。接收到停止條件后，N34TS108 會將輸入和輸出濾波器切換回快速模式操作。

  6.8 超時功能

  如果 SCL 或 SDA 在起始和停止條件之間被拉低 30ms（典型值），N34TS108 會復(fù)位串行接口。如果 N34TS108 被拉低，它會釋放總線并等待起始條件。為了避免激活超時功能，SCL 操作頻率至少要保持在 1kHz。

七、訂購信息

所有封裝均符合 RoHS 標(biāo)準(zhǔn)（無鉛、無鹵），標(biāo)準(zhǔn)引腳/球鍍層為 SnAgCu。

八、總結(jié)

onsemi 的 N34TS108 數(shù)字溫度傳感器以其高精度、低功耗、寬電源范圍、豐富的功能和靈活的接口等特點，為電子工程師在熱管理和熱保護應(yīng)用中提供了一個優(yōu)秀的解決方案。通過深入了解其內(nèi)部寄存器結(jié)構(gòu)和串行接口協(xié)議，工程師可以更好地利用該傳感器的各項功能，設(shè)計出更加高效、可靠的電子系統(tǒng)。在實際應(yīng)用中，我們需要根據(jù)具體的需求和場景，合理配置傳感器的參數(shù)，確保其性能得到充分發(fā)揮。同時，也要注意遵守其電氣特性和操作要求，避免因不當(dāng)使用而影響設(shè)備的性能和可靠性。你在使用類似溫度傳感器時遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。