TMP118：超小型高精度數(shù)字溫度傳感器的卓越之選

在電子設(shè)備的設(shè)計中，溫度傳感器扮演著至關(guān)重要的角色。今天，我們要深入探討一款性能卓越的數(shù)字溫度傳感器——TMP118，它以其超小型、高精度和低功耗等特性，在眾多應(yīng)用場景中展現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。

文件下載：tmp118.pdf

1. 產(chǎn)品概述

TMP118 是一款采用 PicoStar? 封裝的超小型、超薄數(shù)字溫度傳感器，面積僅為 (0.336 ~mm^{2})，最大高度為 240μm。這種小巧的封裝設(shè)計使其非常適合空間受限的應(yīng)用場景。它具備 16 位分辨率，LSB 為 7.8125m°C，在 20°C 至 50°C 范圍內(nèi)無需額外校準即可實現(xiàn) ±0.1°C（最大精度），有助于滿足醫(yī)療級電子溫度計的系統(tǒng)級 ASTM E1112 和 ISO 80601 精度標準。

2. 產(chǎn)品特性

2.1 超小型、超薄封裝

PicoStar? 封裝尺寸為 0.55 × 0.61 × 0.24mm，具有小熱質(zhì)量（0.092mJ/°C）的特點。小熱質(zhì)量意味著傳感器能夠更快地響應(yīng)溫度變化，提高測量的實時性。

2.2 高精度測量

在 (V_{DD}=1.62 ~V) 至 3.6V 的供電范圍內(nèi)，不同溫度區(qū)間有著出色的精度表現(xiàn)：

• 0°C 至 50°C：典型精度為 ±0.05°C，最大精度為 ±0.15°C。
• 20°C 至 50°C：最大精度為 ±0.1°C。
• -20°C 至 85°C：最大精度為 ±0.2°C。
• -40°C 至 125°C：最大精度為 ±0.4°C。

  2.3 寬供電范圍

  供電范圍為 1.4V 至 5.5V，這使得 TMP118 能夠適應(yīng)多種不同的電源環(huán)境，增加了其在不同應(yīng)用中的兼容性。

  2.4 低功耗設(shè)計

• 平均電流：在 1Hz 轉(zhuǎn)換周期下，平均電流為 1.4μA。
• 睡眠電流：僅為 65nA，這種低功耗特性對于電池供電的便攜式或可穿戴設(shè)備來說至關(guān)重要，能夠有效延長設(shè)備的電池續(xù)航時間。

  2.5 靈活的數(shù)字接口

• 兼容 1.2V 邏輯（獨立于 (V_{DD})），無需電平轉(zhuǎn)換器即可直接與低電壓 MCU 接口。
• 支持 I2C 和 SMBus? 協(xié)議，還具備 I3C 混合總線共存能力，方便與其他設(shè)備進行通信。

  2.6 NIST 可追溯性

  每個 TMP118 都包含一個 48 位的唯一 ID，可用于支持 NIST 可追溯性，滿足對測量精度和溯源性有嚴格要求的應(yīng)用場景。

  2.7 醫(yī)療級認證

  有助于滿足 ASTM E1112 和 ISO 80601 - 2 - 56 標準，適用于醫(yī)療傳感器貼片等醫(yī)療應(yīng)用領(lǐng)域。

3. 應(yīng)用領(lǐng)域

TMP118 的特性使其在多個領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用：

• 移動設(shè)備：如手機、智能手表和智能追蹤器等，可用于監(jiān)測設(shè)備內(nèi)部溫度，保障設(shè)備的穩(wěn)定運行。
• 平板電腦：實時監(jiān)測平板電腦的溫度，避免因過熱導(dǎo)致性能下降。
• 醫(yī)療設(shè)備：醫(yī)療傳感器貼片等設(shè)備中，高精度的溫度測量能夠為醫(yī)療診斷提供準確的數(shù)據(jù)支持。

4. 技術(shù)細節(jié)

4.1 數(shù)字溫度輸出

Temp_Result 寄存器采用 16 位格式，溫度數(shù)據(jù)以 16 位二進制補碼表示，LSB 為 0.0078125°C。通過特定的編碼參數(shù)和位權(quán)重，可以準確地將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為溫度值。例如，給出了一些溫度值對應(yīng)的二進制和十六進制表示，方便工程師進行數(shù)據(jù)處理和解讀。

4.2 平均模式

支持 4 種不同的平均模式，可有效抑制噪聲并減少外部溫度波動的影響：

• 無平均模式：每個轉(zhuǎn)換周期進行 1 次單一轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束后立即將溫度結(jié)果存儲到 Temp_Result 寄存器。
• 背靠背平均模式：可設(shè)置為 4 次或 8 次轉(zhuǎn)換背靠背進行，將多次轉(zhuǎn)換結(jié)果平均后存儲，有助于減少設(shè)備內(nèi)部噪聲源的影響，但會增加平均電流消耗。
• 移動 4x 平均模式：每個轉(zhuǎn)換周期進行 1 次單一轉(zhuǎn)換，將新的溫度結(jié)果與前 3 個轉(zhuǎn)換周期的結(jié)果進行平均后存儲，可過濾外部溫度源的波動。

  4.3 溫度比較器和滯后功能

  TMP118 具有溫度比較器功能，通過 THigh_Limit 寄存器設(shè)置高溫比較器閾值，TLow_Limit 寄存器設(shè)置低溫比較器閾值。當溫度結(jié)果連續(xù)多次達到或超過 THigh_Limit 時，配置寄存器中的 Alert_Flag 位將被置位；當溫度結(jié)果連續(xù)多次低于 TLow_Limit 時，Alert_Flag 位將被清除。這種滯后功能可以防止因環(huán)境溫度波動而產(chǎn)生的誤報警。

  4.4 應(yīng)變?nèi)莶?/h3>

  該傳感器具有內(nèi)部應(yīng)變?nèi)莶钐匦裕軌驕p輕因 PicoStar 封裝在常見制造區(qū)域（如器件焊接、成型、底部填充和電路板彎曲）產(chǎn)生的應(yīng)變所導(dǎo)致的誤差。通過實驗測試，展示了其在不同應(yīng)變條件下的溫度誤差表現(xiàn)，相比非應(yīng)變?nèi)萑淘O(shè)備具有明顯優(yōu)勢。

  4.5 NIST 可追溯性實現(xiàn)

  TMP118 的 48 位唯一 ID 存儲在 3 個單獨的寄存器中，通過特定的步驟可以讀取這些唯一 ID，以支持 NIST 可追溯性。具體步驟包括將設(shè)備置于關(guān)機模式、向唯一 ID 指針地址寫入 0x0000、讀取唯一 ID 內(nèi)容等。

5. 設(shè)備功能模式

5.1 連續(xù)轉(zhuǎn)換模式

當配置寄存器中的 Shutdown 位設(shè)置為 0b 時，設(shè)備進入連續(xù)轉(zhuǎn)換模式。在該模式下，設(shè)備以固定間隔進行轉(zhuǎn)換，并在每次轉(zhuǎn)換結(jié)束后更新溫度結(jié)果寄存器。典型的主動轉(zhuǎn)換時間為 11ms（無平均），期間設(shè)備通常消耗 55μA 的電流，在低功耗待機期間消耗 750nA 的電流。可以通過調(diào)整轉(zhuǎn)換速率來降低連續(xù)模式下的平均電流消耗。

5.2 單次轉(zhuǎn)換模式

當設(shè)備處于關(guān)機模式（配置寄存器中的 Shutdown 位為 1b）時，向配置寄存器中的 OS 和 Shutdown 位寫入 1b 可以啟動單次溫度轉(zhuǎn)換，通常需要 12ms。轉(zhuǎn)換完成后，設(shè)備返回關(guān)機狀態(tài)。這種模式適用于不需要連續(xù)溫度監(jiān)測的場景，有助于降低設(shè)備的功耗。

6. 編程接口

6.1 I2C 和 SMBus 接口

TMP118 具有標準的雙向 I2C 接口，由控制器設(shè)備控制。每個目標設(shè)備在 I2C 總線上有特定的設(shè)備地址，支持高達 1MHz 的傳輸數(shù)據(jù)速率。

• 總線概述：物理 I2C 接口由串行時鐘（SCL）和串行數(shù)據(jù)（SDA）線組成，兩條線都需要通過外部上拉電阻連接到電源。數(shù)據(jù)傳輸只能在總線空閑時啟動，通過 START 和 STOP 條件來控制通信的開始和結(jié)束。
• 設(shè)備地址：TMP118 采用硬連線可訂購方式進行尋址，允許在單條總線上尋址多達 4 個目標設(shè)備，提供了 4 種不同的 7 位 I2C 目標地址選項。
• 讀寫操作：
  • 寫操作：控制器發(fā)送 START 條件和目標地址（R/W 位設(shè)置為 0b），目標設(shè)備確認后，控制器發(fā)送寄存器指針和寄存器數(shù)據(jù)，最后發(fā)送 STOP 條件結(jié)束傳輸。
  • 讀操作：控制器先發(fā)送 START 條件和目標地址（R/W 位設(shè)置為 0b），發(fā)送寄存器指針，然后發(fā)送 START 或 RESTART 條件和目標地址（R/W 位設(shè)置為 1b），開始讀取數(shù)據(jù)。讀取完成后，控制器發(fā)送 NACK 信號并發(fā)送 STOP 條件。
• 通用調(diào)用復(fù)位功能：控制器可以通過發(fā)送通用調(diào)用地址（0000000b）和特定的復(fù)位命令（00000110b 或 06h）來對總線上的所有 TMP118 設(shè)備進行復(fù)位操作。
• 超時功能：如果 SCL 線被控制器拉低或 SDA 線被 TMP118 拉低超過 30ms（典型值），TMP118 將重置內(nèi)部串行接口。為避免激活超時功能，SCL 操作頻率應(yīng)至少為 1kHz。
• I3C 混合總線共存：TMP118 作為 I2C 設(shè)備，通過在 SDA 和 SCL 引腳上集成 50ns 的尖峰抑制濾波器，能夠與 I3C 設(shè)備在同一總線上共存，支持高達 12.5MHz 的時鐘速度，方便現(xiàn)有 I2C 總線設(shè)計向 I3C 規(guī)范遷移。

7. 寄存器配置

TMP118 具有多個寄存器，用于存儲溫度數(shù)據(jù)、配置設(shè)備操作和提供設(shè)備信息：

• Temp_Result 寄存器：存儲最新的溫度轉(zhuǎn)換結(jié)果，以 16 位二進制補碼格式表示，LSB 為 0.0078125°C。
• Configuration 寄存器：用于配置設(shè)備的操作模式、轉(zhuǎn)換速率、平均模式、報警標志等參數(shù)。
• TLow_Limit 寄存器和 THigh_Limit 寄存器：分別用于設(shè)置低溫和高溫比較器閾值，以 16 位二進制補碼格式表示，LSB 為 0.0078125°C。
• Device_ID 寄存器：只讀寄存器，指示設(shè)備 ID 和修訂號。
• Unique_ID0、Unique_ID1 和 Unique_ID2 寄存器：存儲用于 NIST 可追溯性的唯一 ID。

8. 應(yīng)用設(shè)計

8.1 典型應(yīng)用電路

提供了兩種典型應(yīng)用電路：

• 獨立 I2C 上拉和電源應(yīng)用：SDA 和 SCL 引腳電壓可以與 (V_{DD}) 引腳電壓不同，無需電源排序。通過選擇合適的上拉電阻，確保 I/O 電流在額定范圍內(nèi)。
• 相等 I2C 上拉和電源電壓應(yīng)用：SDA 和 SCL 引腳電壓與 (V_{DD}) 相同，上拉電阻的選擇同樣要保證 I/O 電流在額定范圍內(nèi)。

  8.2 電源供應(yīng)建議

  在設(shè)計中，要確保電源的穩(wěn)定性，選擇合適的電源旁路電容，推薦值為 10nF，并將其盡可能靠近電源和接地引腳放置。

  8.3 布局指南

• 旁路電容：將電源旁路電容靠近電源和接地引腳放置，以減少電源噪聲。
• 上拉電阻：上拉電阻應(yīng)靠近控制器的 I2C SDA/SCL 線放置，同時要注意與設(shè)備保持一定距離，避免其成為熱源影響測量精度。
• 光線影響：盡量將 TMP118 遠離光源，因為過多的光線照射可能會影響設(shè)備的測量精度和電流消耗。
• 電路板選擇：對于需要快速響應(yīng)時間的系統(tǒng)，建議使用柔性印刷電路板（FPC），以充分發(fā)揮 TMP118 的快速響應(yīng)特性。

9. 總結(jié)

TMP118 以其超小型、高精度、低功耗和靈活的接口等特性，為電子工程師在設(shè)計溫度監(jiān)測系統(tǒng)時提供了一個優(yōu)秀的選擇。無論是在移動設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備還是其他對空間和精度有要求的應(yīng)用場景中，TMP118 都能夠發(fā)揮出其獨特的優(yōu)勢。在實際應(yīng)用中，工程師需要根據(jù)具體的需求合理配置設(shè)備的參數(shù)，優(yōu)化電路設(shè)計和布局，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。你在使用溫度傳感器的過程中遇到過哪些挑戰(zhàn)呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。