TMP119：超高精度數字溫度傳感器的卓越之選

在電子設備的設計中，溫度監測是一個至關重要的環節。無論是電子溫度計、無線環境傳感器，還是汽車測試設備等，都需要精確的溫度測量。德州儀器（TI）推出的TMP119數字溫度傳感器，憑借其超高的精度、低功耗以及豐富的功能，成為了眾多應用場景下的理想選擇。

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1. 產品特性亮點

1.1 高精度測量

TMP119在不同溫度范圍內都展現出了卓越的精度。在0°C至45°C的范圍內，典型精度可達±0.03°C，最大精度為±0.08°C。即使在更寬的溫度范圍，如 -55°C至150°C，最大精度也能控制在±0.2°C。這種高精度的測量能力，使得TMP119在對溫度精度要求極高的醫療設備等領域也能大顯身手。

1.2 低功耗設計

對于許多電池供電的設備來說，功耗是一個關鍵因素。TMP119在這方面表現出色，在1Hz轉換周期下，典型功耗僅為3.5μA，關機電流更是低至150nA。這使得它非常適合應用于對功耗敏感的設備，如可穿戴健身和活動監測器等。

1.3 寬電源范圍

TMP119的電源范圍較寬，在 -55°C至70°C的溫度范圍內，電源電壓可在1.7V至5.5V之間；在 -55°C至150°C的溫度范圍內，電源電壓為1.8V至5.5V。這種寬電源范圍的設計，增加了設備的適用性，方便工程師在不同的電源環境下進行設計。

1.4 其他特性

• 16位分辨率：分辨率高達0.0078°C（1 LSB），能夠提供更精確的溫度數據。
• 可編程溫度警報限制：用戶可以根據實際需求設置溫度警報的上下限，當溫度超出設定范圍時，設備會發出警報信號。
• 可選擇平均功能：通過設置AVG[1:0]位，用戶可以配置設備對多次溫度轉換結果進行平均，以減少轉換結果中的噪聲。
• 應變容差：TMP119具有內部應變容差特性，能夠有效減輕由于DSBGA封裝在制造過程中產生的應變所導致的誤差。
• 通用EEPROM：擁有48位的通用EEPROM，可用于存儲設備的配置參數和通用數據。
• NIST可追溯性：所有TMP119單元都在符合NIST可追溯性的生產設置上進行100%測試，并使用經過ISO/IEC 17025認可標準校準的設備進行驗證。
• 接口兼容性：支持SMBus?和I2C接口，方便與其他設備進行通信。
• 醫療級標準：有助于滿足ASTM E1112和ISO 80601 - 2 - 56等醫療標準，可用于電子體溫計等醫療設備。
• RTD替代方案：可以替代PT100、PT500、PT1000等鉑電阻溫度探測器（RTD），簡化設計過程，同時降低功耗。

2. 應用領域廣泛

2.1 電子溫度計

憑借其高精度的溫度測量能力和醫療級標準的支持，TMP119非常適合用于電子溫度計，能夠為用戶提供準確的體溫測量結果。

2.2 無線環境傳感器

在無線環境傳感器中，TMP119的低功耗特性可以延長設備的電池續航時間，同時高精度的溫度測量能夠為環境監測提供準確的數據。

2.3 恒溫器

TMP119的可編程溫度警報限制功能，使得它可以用于恒溫器的設計，當溫度超出設定范圍時及時發出警報，實現對溫度的精確控制。

2.4 汽車測試設備

在汽車測試設備中，TMP119可以對汽車內部的溫度進行精確測量，為汽車的性能測試和故障診斷提供重要的數據支持。

2.5 可穿戴健身和活動監測器

低功耗和高精度的特點，使得TMP119成為可穿戴健身和活動監測器中溫度監測的理想選擇，能夠在不影響設備續航的前提下，提供準確的溫度數據。

2.6 冷鏈資產跟蹤

在冷鏈物流中，TMP119可以實時監測貨物的溫度，確保貨物在運輸過程中的質量安全。

2.7 燃氣表和熱量表

TMP119可以用于燃氣表和熱量表中，對環境溫度進行測量，提高測量的準確性。

2.8 溫度變送器

作為溫度變送器的核心部件，TMP119能夠將溫度信號轉換為電信號，實現溫度的遠程傳輸和監測。

3. 詳細功能解析

3.1 電源啟動

當電源電壓達到工作范圍后，設備需要1.5ms的時間進行啟動，之后才能開始進行溫度轉換。設備也可以被編程為在關機模式下啟動。在第一次轉換完成之前，溫度寄存器讀取值為 -256°C。

3.2 平均功能

用戶可以通過設置AVG[1:0]位，配置設備對多次溫度轉換結果進行平均。例如，當AVG設置為01時，設備會執行8次轉換，并將這些轉換結果進行累加，最后輸出平均值。平均功能可以有效減少轉換結果中的噪聲，但會增加平均活動電流消耗，因為它會增加轉換周期中的活動轉換時間。

3.3 溫度結果和限制

每次轉換完成后，設備會將轉換結果更新到溫度寄存器中。溫度寄存器的數據采用16位二進制補碼格式，分辨率為7.8125m°C。TMP119還具有警報狀態標志和警報引腳功能，通過比較溫度結果與高、低限制寄存器中的值，當溫度超出設定范圍時，會相應地設置或清除配置寄存器中的狀態標志。

3.4 應變容差

TMP119的內部應變容差特性，能夠有效減輕由于DSBGA封裝在制造過程中產生的應變所導致的誤差。通過將多個TMP119設備焊接到剛性PCB上，并在不同的彎曲方向下進行測試，可以發現TMP119在應變條件下的溫度誤差明顯小于非應變容忍設備。

3.5 設備功能模式

• 連續轉換模式：當配置寄存器中的MOD[1:0]位設置為00或10時，設備進入連續轉換模式。在該模式下，設備會持續進行溫度轉換，并在每次活動轉換結束后更新溫度結果寄存器。用戶可以通過讀取配置寄存器或溫度結果寄存器來清除數據就緒標志，從而確定轉換是否完成。
• 關機模式（SD）：當MOD[1:0]位設置為01時，設備會立即中止當前正在運行的轉換，并進入低功耗關機模式。在該模式下，設備會關閉所有活動電路，典型功耗僅為250nA，適合用于電池供電的系統和其他低功耗應用。
• 單次轉換模式（OS）：當MOD[1:0]位設置為11時，設備會執行一次溫度轉換，轉換完成后進入低功耗關機模式。單次轉換模式的持續時間僅受AVG位設置的影響，CONV位不會影響單次轉換的持續時間。
• 熱模式和警報模式：TMP119的內置熱模式和警報功能可以根據溫度是否超過設定的限制或是否在特定溫度范圍內，向用戶發出警報。在警報模式下，設備會比較轉換結果與高、低限制寄存器中的值，當溫度超出范圍時，會設置相應的狀態標志，并通過警報引腳發出信號。在熱模式下，設備僅比較溫度是否超過高限制值，當溫度超過高限制時，設置HIGH_Alert狀態標志，當溫度低于低限制時，清除該標志。

3.6 編程

• EEPROM編程：TMP119具有用戶可編程的EEPROM，可用于存儲上電復位（POR）值，如高限制寄存器、低限制寄存器、轉換周期時間、平均模式、轉換模式、警報功能模式和警報極性等，還可以存儲四個16位的通用數據。為了防止意外編程，EEPROM默認是鎖定的。編程時，需要先解鎖EEPROM，然后進行數據寫入，編程完成后，需要發出通用調用復位命令，將編程數據加載到相應的寄存器中，并自動鎖定EEPROM。
• 指針寄存器：8位的指針寄存器用于尋址給定的數據寄存器，復位值為00。
• I2C和SMBus接口：TMP119作為目標設備，通過SDA和SCL引腳連接到兩線、SMBus和I2C接口兼容總線上。該接口支持快速（1kHz至400kHz）模式的傳輸協議，寄存器字節按最高有效字節優先的順序發送。
• 總線概述：總線由控制器設備控制，控制器負責生成串行時鐘（SCL）、控制總線訪問以及生成START和STOP條件。
• 串行總線地址：TMP119具有一個地址引腳，允許在單總線上尋址多達四個設備。通過將ADD0引腳連接到GND、V+、SDA或SCL，可以設置不同的設備地址。
• 讀寫操作：用戶可以通過向指針寄存器寫入寄存器地址來訪問TMP119上的特定寄存器。讀取時，使用最后一次寫入操作存儲在指針寄存器中的值來確定要讀取的寄存器。
• 目標模式操作：TMP119可以作為目標接收器或目標發射器。作為目標接收器，控制器先發送目標地址，然后發送指針寄存器，最后發送數據；作為目標發射器，控制器發送目標地址后，TMP119發送寄存器數據。
• SMBus警報功能：TMP119支持SMBus警報功能。當警報引腳連接到SMBus警報信號且控制器檢測到警報條件時，控制器可以發送SMBus ALERT命令，TMP119會響應并返回目標地址，通過目標地址的最低位指示警報是由溫度超過高限制還是低于低限制引起的。
• 通用調用復位功能：TMP119響應兩線通用調用地址（0000 000），如果第二個字節為0000 0110，則將內部寄存器復位為上電值。
• 超時功能：如果SCL線被控制器保持低電平或SDA線被TMP119保持低電平超過35ms（典型值），TMP119會復位串行接口，釋放SDA線并等待主機控制器的START條件。

4. 應用與實現要點

4.1 應用信息

TMP119可用于測量設備安裝位置的溫度，其可編程地址選項允許在單條串行總線上同時監測多達四個位置的溫度。在解碼溫度數據時，可以使用C代碼將16位二進制補碼格式的溫度數據轉換為實際溫度值。

4.2 典型應用設計

• 設計要求：TMP119作為目標設備，通過I2C兼容串行接口與主機通信。SDA和ALERT引腳需要上拉電阻，推薦值為5kΩ。建議在V+和GND之間連接一個0.1μF的旁路電容。ADD0引腳可用于選擇四個可能的唯一目標ID地址。ALERT輸出引腳可連接到微控制器的中斷引腳，當溫度超過可編程限制時觸發事件。
• 詳細設計過程
  • 噪聲和平均：在禁用平均功能時，設備的溫度采樣分布覆蓋約六個相鄰代碼，噪聲區域在全電源和全溫度范圍內保持不變，標準偏差約為1 LSB。設備提供1、8、32或64次轉換的平均工具，8次采樣平均可以將內部噪聲分布降低到理論最小值2 LSB。在噪聲較大的系統環境中，建議使用更高的平均次數。
  • 自熱效應（SHE）：在ADC轉換過程中，TMP119會產生一定的功耗，從而導致設備發熱。在進行精確測量時，需要考慮自熱效應?？梢酝ㄟ^系統校準、使用單次轉換模式、選擇合適的電源電壓、優化PCB布局等方法來降低自熱效應的影響。
  • 同步溫度測量：當需要同時在四個不同位置進行溫度測量時，可以通過觸發復位來實現同步采樣。將四個設備的控制寄存器設置為連續轉換模式（CC），轉換周期時間為16s，然后通過總線通用調用復位命令觸發所有設備同時進行溫度采樣。

4.3 電源供應建議

TMP119的電源供應范圍為1.7V至5.5V，需要在設備的電源和地引腳附近放置一個電源旁路電容，推薦值為100nF。對于噪聲較大或阻抗較高的電源，可能需要額外的去耦電容來抑制電源噪聲。

4.4 布局要點

• 布局指南：根據不同的應用場景，如測量固體表面溫度、移動空氣溫度或靜止空氣溫度，需要采用不同的布局策略。例如，在測量固體表面溫度時，應使用厚度最小的PCB，避免PCB彎曲，覆蓋底部銅平面，使用導熱膏等；在測量移動空氣溫度時，可使用較厚銅層的PCB，垂直放置PCB；在測量靜止空氣溫度時，應減小電路板的熱質量，進行熱隔離等。
• 布局示例：提供了YBG封裝的布局建議，包括電源旁路電容、上拉電阻、過孔等的布局位置。

4.5 寄存器映射

TMP119具有多個寄存器，包括溫度結果寄存器、配置寄存器、高限制寄存器、低限制寄存器、EEPROM解鎖寄存器、EEPROM寄存器、溫度偏移寄存器和設備ID寄存器等。每個寄存器都有其特定的功能和操作方法，通過對這些寄存器的配置和操作，可以實現對TMP119的各種功能控制。

5. 總結

TMP119數字溫度傳感器以其高精度、低功耗、寬電源范圍、豐富的功能和廣泛的應用領域，為電子工程師在溫度監測和控制方面提供了一個優秀的解決方案。在實際應用中，工程師需要根據具體的需求和場景，合理配置TMP119的各項參數，優化電路設計和布局，以充分發揮其性能優勢。同時，要注意遵循相關的使用規范和注意事項，確保設備的可靠性和穩定性。你在使用TMP119過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區分享你的經驗和見解。