LM94021：高精度多增益模擬溫度傳感器的特性與應(yīng)用

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，溫度監(jiān)測是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。今天我們要深入探討的是德州儀器（TI）的 LM94021 多增益模擬溫度傳感器，它以其出色的性能和廣泛的應(yīng)用場景，在溫度傳感領(lǐng)域占據(jù)了一席之地。

文件下載：lm94021.pdf

產(chǎn)品概述

LM94021 是一款精密的模擬輸出 CMOS 集成電路溫度傳感器，能夠在低至 1.5V 的電源電壓下穩(wěn)定工作。它的工作溫度范圍極廣，從 -50°C 到 +150°C，輸出電壓與測量溫度呈反比關(guān)系。其低電源電流的特性，使其成為電池供電系統(tǒng)以及一般溫度傳感應(yīng)用的理想選擇。其中，LM94021Q 更是通過了 AEC - Q100 Grade 0 認(rèn)證，采用汽車級(jí)工藝流程制造。

關(guān)鍵特性

低電壓與多增益設(shè)計(jì)

• 低電壓運(yùn)行：LM94021 最低可在 1.5V 電壓下工作，這對(duì)于電池供電設(shè)備來說至關(guān)重要，能夠有效降低功耗，延長設(shè)備的續(xù)航時(shí)間。
• 四檔可選增益：通過兩個(gè)邏輯輸入引腳 Gain Select 1 (GS1) 和 Gain Select 0 (GS0)，可以選擇四種不同的增益斜率，分別為 -5.5 mV/°C、 -8.2 mV/°C、 -10.9 mV/°C 和 -13.6 mV/°C。在低增益配置（GS1 和 GS0 均接地）下，即使在 1.5V 電源供電時(shí)，也能在 -50°C 到 +150°C 的全溫度范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確測量；而將兩個(gè)輸入引腳都接高電平時(shí)，增益最大，為 -13.6 mV/°C，可實(shí)現(xiàn)最高的溫度靈敏度。這種可選擇的增益設(shè)計(jì)，讓工程師能夠根據(jù)具體應(yīng)用需求靈活調(diào)整傳感器的性能。

高精度與低功耗

• 高精度測量：在 -50°C 到 +150°C 的寬溫度范圍內(nèi)，LM94021 都能保持較高的測量精度。不同增益設(shè)置和溫度、電壓條件下，溫度誤差在 ±1.5°C 到 ±2.7°C 之間。例如，在 GS1 = 0、GS0 = 0，TA = +20°C 到 +40°C，VDD = 1.5V 到 5.5V 的條件下，溫度誤差最大為 ±1.5°C。
• 低靜態(tài)電流：典型的電源電流僅為 9μA，大大降低了功耗，適合對(duì)功耗要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景。

其他特性

• 輸出短路保護(hù)：輸出引腳具備短路保護(hù)功能，能夠有效防止因意外短路而損壞傳感器，提高了系統(tǒng)的可靠性。
• 小封裝與兼容性：采用極小的 SC70 封裝，節(jié)省了電路板空間，并且其引腳布局與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 LM20 溫度傳感器兼容，方便進(jìn)行替換和升級(jí)。
• UL 認(rèn)證：該傳感器獲得了 UL 認(rèn)證，符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，可用于對(duì)安全性要求較高的應(yīng)用中。

應(yīng)用領(lǐng)域

LM94021 的應(yīng)用范圍十分廣泛，涵蓋了多個(gè)領(lǐng)域：

• 消費(fèi)電子：如手機(jī)、無線收發(fā)器等設(shè)備，可用于監(jiān)測電池溫度，防止電池過熱，保障設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
• 電池管理：在電池管理系統(tǒng)中，準(zhǔn)確測量電池溫度，有助于優(yōu)化電池的充電和放電過程，延長電池壽命。
• 汽車電子：LM94021Q 經(jīng)過汽車級(jí)認(rèn)證，可用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙、電池組等部位的溫度監(jiān)測，確保汽車電子系統(tǒng)的可靠性。
• 存儲(chǔ)設(shè)備：在硬盤驅(qū)動(dòng)器等存儲(chǔ)設(shè)備中，監(jiān)測溫度變化，避免因過熱導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或設(shè)備損壞。
• 家電產(chǎn)品：如冰箱、空調(diào)等家電，可用于溫度控制，提高產(chǎn)品的性能和舒適度。

技術(shù)參數(shù)

電源與電流

• 電源電壓范圍：1.5V 到 5.5V，能夠適應(yīng)不同的電源環(huán)境。
• 電源電流：典型值為 9μA，在 TA = +30°C 到 +150°C 時(shí)，最大為 12μA；在 TA = -50°C 到 +150°C 時(shí)，最大為 13μA。

溫度精度

溫度精度在不同的增益設(shè)置、溫度范圍和電源電壓條件下有所不同，具體數(shù)據(jù)可參考文檔中的精度特性表格。

絕對(duì)最大額定值

• 電源電壓： -0.3V 到 +6.0V
• 輸出引腳電壓： -0.3V 到 (VDD + 0.5V)
• 輸出電流： ±7 mA
• GS0 和 GS1 輸入引腳電壓： -0.3V 到 +6.0V
• 任意引腳輸入電流： 5 mA
• 存儲(chǔ)溫度： -65°C 到 +150°C
• 最大結(jié)溫： +150°C
• ESD 敏感度：人體模型為 2500V，機(jī)器模型為 250V

應(yīng)用信息

傳輸函數(shù)

LM94021 的輸出電壓與溫度之間的關(guān)系可以通過傳輸表來表示。該表列出了在不同溫度和增益設(shè)置下的輸出電壓值，是確定傳感器精度規(guī)格的參考依據(jù)。同時(shí)，還可以使用拋物線方程或兩點(diǎn)方程對(duì)傳輸函數(shù)進(jìn)行計(jì)算和線性近似，以滿足不同的應(yīng)用需求。

安裝與熱導(dǎo)率

• 安裝方式：LM94021 可以像其他集成電路溫度傳感器一樣，通過膠水或水泥粘貼在表面。為了確保良好的熱導(dǎo)率，芯片背面直接連接到 GND 引腳（引腳 2）。此外，它還可以安裝在密封端金屬管內(nèi)，浸入液體中或擰入水箱的螺紋孔中。
• 熱阻計(jì)算：熱阻參數(shù) (θJA) 用于計(jì)算由于功率耗散導(dǎo)致的器件結(jié)溫上升。通過公式 (T{J}=T{A}+theta{JA}[(V{DD}I{Q})+(V{DD}-V{O})I{L}]) 可以計(jì)算出結(jié)溫，其中 (T{A}) 是環(huán)境溫度，(I{Q}) 是靜態(tài)電流，(I{L}) 是輸出負(fù)載電流，(V{O}) 是輸出電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)盡量減小傳感器所需驅(qū)動(dòng)的負(fù)載電流，以降低自熱誤差。

噪聲考慮

LM94021 具有出色的噪聲抑制能力。在 200 Hz 到 10 kHz 頻率范圍內(nèi)，正弦波抑制比可達(dá) -54 dB 或更好；在 10 kHz 到 1 MHz 范圍內(nèi)，可達(dá) -28 dB 或更好。輸出端添加負(fù)載電容可以進(jìn)一步過濾噪聲，例如，1 nF 的負(fù)載電容在 200 Hz 到 1 MHz 范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn) -51 dB 或更好的抑制效果。此外，由于該傳感器不產(chǎn)生瞬態(tài)電流，因此不需要在其附近使用旁路電容，但在非常嘈雜的環(huán)境中，可能需要適當(dāng)?shù)呐月冯娙荨?/p>

電容性負(fù)載

LM94021 能夠很好地處理電容性負(fù)載。在無特殊防護(hù)措施的情況下，它可以驅(qū)動(dòng)不超過 1100 pF 的電容性負(fù)載。對(duì)于超過 1100 pF 的電容性負(fù)載，可能需要在輸出端添加一個(gè)串聯(lián)電阻進(jìn)行濾波，以減少噪聲耦合。

輸出電壓偏移

由于 NMOS/PMOS 軌到軌緩沖器的固有特性，當(dāng)電源電壓在設(shè)備的工作范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出電壓可能會(huì)出現(xiàn)輕微偏移。這種偏移通常發(fā)生在 (V{DD}-V{OUT}=1.0V) 時(shí)，偏移量僅為幾毫伏，且在較寬的 (V{DD}) 或 (V{OUT}) 變化（約 200 mV）以及 5°C 到 20°C 的溫度變化范圍內(nèi)發(fā)生，因此 (V_{OUT}) 始終保持單調(diào)。電氣特性表中的精度規(guī)格已經(jīng)考慮了這種可能的偏移。

可選增益優(yōu)化與原位測試

• 增益優(yōu)化：增益選擇數(shù)字輸入引腳可以連接到電源軌，也可以由微控制器的 GPIO 引腳等數(shù)字輸出驅(qū)動(dòng)。在低電源電壓應(yīng)用中，將增益降低到 -5.5 mV/°C 可以使 LM94021 在 -50°C 到 +150°C 的全溫度范圍內(nèi)正常工作；而在較大電源電壓的情況下，可以將增益提高到 -13.6 mV/°C，以減少噪聲的影響，如輸出線上的噪聲耦合或模數(shù)轉(zhuǎn)換器的量化噪聲。
• 原位測試：通過切換增益選擇引腳的邏輯電平并監(jiān)測輸出電壓的變化，主機(jī)系統(tǒng)可以驗(yàn)證 LM94021 的功能，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測試。

應(yīng)用電路示例

攝氏恒溫器

該電路利用 LM94021 監(jiān)測溫度，并通過比較器和參考電壓實(shí)現(xiàn)恒溫控制。當(dāng)溫度超過設(shè)定值時(shí)，輸出高電平觸發(fā)報(bào)警。

關(guān)機(jī)節(jié)能

通過邏輯器件輸出控制 LM94021 的電源，在不需要測量溫度時(shí)將其關(guān)閉，以節(jié)省功耗。

采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入級(jí)連接

大多數(shù)微控制器和 ASIC 中的 CMOS 模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有采樣數(shù)據(jù)比較器輸入結(jié)構(gòu)。在 ADC 對(duì)采樣電容充電時(shí)，需要從模擬源（如 LM94021 溫度傳感器）的輸出獲取瞬時(shí)電荷。通過添加一個(gè)電容 ((C_{FILTER})) 可以滿足這一需求，電容的大小取決于采樣電容的大小和采樣頻率。

總結(jié)

LM94021 多增益模擬溫度傳感器以其低電壓運(yùn)行、多增益選擇、高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在多個(gè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。其豐富的特性和靈活的設(shè)計(jì)，為電子工程師提供了更多的選擇和便利。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求和場景，合理選擇增益、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮該傳感器的性能。同時(shí)，在安裝和使用過程中，要注意熱導(dǎo)率、噪聲、電容性負(fù)載等因素的影響，確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。你在使用溫度傳感器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。