深入解析LM99：高精度遠程二極管溫度傳感器的卓越性能與應用

在電子設備的設計與運行中，精確的溫度監(jiān)測至關重要。德州儀器（TI）的LM99遠程二極管溫度傳感器，憑借其高精度、多功能和廣泛的應用場景，成為眾多工程師的理想選擇。本文將深入探討LM99的特性、工作原理、應用及設計要點，為電子工程師提供全面的參考。

文件下載：lm99.pdf

一、LM99簡介

LM99是一款11位遠程二極管溫度傳感器，具備2線系統(tǒng)管理總線（SMBus）串行接口。它不僅能精確測量自身溫度，還能準確感知遠程二極管連接晶體管（如2N3904）或圖形處理器單元（GPU）、計算機處理器單元（CPU）等ASIC上常見的熱敏二極管的溫度。

主要特性

1. 高精度溫度傳感：能精確感應遠程二極管溫度，本地溫度測量也有不錯的精度。
2. 靈活的二極管適配：通過偏移寄存器，可適配各種熱敏二極管。
3. 本地溫度監(jiān)測：具備板載本地溫度傳感功能。
4. 高分辨率數(shù)據(jù)輸出：遠程二極管溫度數(shù)據(jù)格式為10位加符號，分辨率達0.125°C。
5. 豐富的輸出功能：T_CRIT_A輸出可用于系統(tǒng)關機，ALERT輸出支持SMBus 2.0協(xié)議。
6. 兼容SMBus 2.0：支持超時功能，通信穩(wěn)定。
7. 小巧封裝：采用8引腳VSSOP封裝，節(jié)省空間。

應用領域

廣泛應用于圖形處理器熱管理、計算機處理器熱管理、電子測試設備和辦公電子等領域。

二、關鍵規(guī)格參數(shù)

1. 電源電壓：3.0V至3.6V，滿足大多數(shù)電子設備的供電需求。
2. 電源電流：典型值為0.8mA，功耗較低。
3. 溫度精度
   • 本地溫度精度（TA = 25°C至125°C）：±3.0°C（最大）。
   • 遠程二極管溫度精度在不同溫度區(qū)間有所不同，TA = 30°C至50°C，TD = 120°C至140°C時，精度為±1.0°C（最大）；TA = 0°C至85°C，TD = 25°C至140°C時，精度為±3.0°C（最大）。

三、工作原理

LM99采用基于delta VBE的溫度傳感器和10位加符號ΔΣ ADC（Delta - Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。它通過數(shù)字比較器將測量的本地溫度（LT）和遠程溫度（RT）分別與用戶可編程的溫度極限寄存器（如Local High、Local Low、Local T_CRIT、Remote High、Remote Low、Remote T_CRIT）進行比較。當溫度超出預設范圍時，ALERT輸出或T_CRIT_A輸出將被觸發(fā)。

四、功能模塊詳解

1. 轉(zhuǎn)換序列

LM99完成本地溫度（LT）、遠程溫度（RT）的轉(zhuǎn)換并更新所有寄存器大約需要31.25ms。轉(zhuǎn)換過程中，狀態(tài)寄存器（02h）中的忙碌位（D7）為高。轉(zhuǎn)換速率可通過轉(zhuǎn)換速率寄存器（04h）進行修改，不同的轉(zhuǎn)換速率會影響供電電流。

2. ALERT輸出

ALERT引腳是一個低電平有效、開漏輸出的引腳，可通過三種方式使用：

• 溫度比較器：在系統(tǒng)未由中斷程序服務時，可作為溫度比較器。當觸發(fā)ALERT輸出的條件不再存在時，ALERT將恢復高電平。使用此模式時，需將FILTER和ALERT CONFIGURE REGISTER（xBF）中的D0位（ALERT配置位）置高。
• 中斷信號：可作為簡單的中斷信號觸發(fā)中斷服務程序。在讀取狀態(tài)寄存器時，若狀態(tài)寄存器中的任何位（除忙碌位D7和OPEN位D2外）被置位，LM99將設置ALERT掩碼位（配置寄存器的D7位），防止進一步觸發(fā)ALERT，直到主設備在中斷服務程序結(jié)束時重置ALERT掩碼位。此模式下，F(xiàn)ILTER和ALERT CONFIGURE REGISTER（xBF）中的D0位需置低。
• SMBus ALERT：當ALERT輸出連接到其他SMBus兼容設備的ALERT輸出和主設備時，形成SMBus警報線。LM99應使用ARA（Alert Response Address）協(xié)議。在接收到ARA命令后，LM99會發(fā)送其地址，并在成功發(fā)送地址后設置ALERT掩碼位，釋放ALERT輸出引腳。主設備需在中斷服務程序中讀取狀態(tài)寄存器，并在結(jié)束時將配置寄存器中的ALERT掩碼位重置為0。

3. T_CRIT_A輸出和T_CRIT限制

當任何溫度讀數(shù)超過關鍵溫度設定點寄存器（T_CRIT）中的預設極限時，T_CRIT_A輸出將被激活。狀態(tài)寄存器可用于確定觸發(fā)警報的事件。本地和遠程溫度二極管由A/D轉(zhuǎn)換器依次采樣，T_CRIT_A輸出和狀態(tài)寄存器標志在每次本地和遠程溫度轉(zhuǎn)換后更新。

4. 電源復位默認狀態(tài)

LM99上電后會進入已知的默認狀態(tài)，包括命令寄存器、本地溫度、遠程二極管溫度、狀態(tài)寄存器、配置寄存器等的初始設置。

5. SMBus接口

LM99作為SMBus的從設備，SMBCLK線為輸入，SMBData線為雙向。它具有7位從地址，LM99和LM99 - 1的從地址不同，可同時存在于同一總線上。

6. 溫度數(shù)據(jù)格式

• 遠程溫度數(shù)據(jù)由11位二進制補碼表示，LSB為0.125°C，存儲在兩個8位寄存器中。
• 本地溫度數(shù)據(jù)由8位二進制補碼表示，LSB為1°C。

7. 開漏輸出

SMBData、ALERT和T_CRIT_A輸出為開漏輸出，需外部上拉電阻提供上拉電流。上拉電阻應盡可能大，以減少LM99內(nèi)部發(fā)熱導致的溫度讀數(shù)誤差。

8. 二極管故障檢測

LM99具備檢測遠程二極管故障的功能。當D +引腳短路到VDD或浮空時，遠程溫度高字節(jié)（RTHB）寄存器加載為+127°C，低字節(jié)（RTLB）寄存器加載為0，狀態(tài)寄存器中的OPEN位（D2）置位。當D +引腳短路到地或D -時，RTHB寄存器加載為 - 128°C，OPEN位不置位。

9. 與LM99通信

LM99的數(shù)據(jù)寄存器通過命令寄存器選擇。寫入操作需包含地址字節(jié)和命令字節(jié)，讀取操作可根據(jù)命令寄存器的狀態(tài)選擇不同方式。讀取時，主設備需確保從同一溫度轉(zhuǎn)換中獲取所有10位數(shù)據(jù)。

10. 串行接口復位

當SMBus主設備復位而LM99正在SMBData線上傳輸數(shù)據(jù)時，可通過兩種方式將LM99恢復到已知狀態(tài)：一是當SMBData為低電平時，將SMBData或SMBCLK保持低電平超過35ms；二是當SMBData為高電平時，主設備發(fā)起SMBus啟動。

11. 數(shù)字濾波器

為抑制因噪聲導致的遠程溫度讀數(shù)誤差，LM99內(nèi)置用戶可配置的數(shù)字濾波器。濾波器可在FILTER和ALERT CONFIGURE REGISTER（BFh）中設置，有無濾波、一級濾波和二級濾波三種模式，二級濾波為最大濾波。

12. 故障隊列

為抑制錯誤的ALERT或T_CRIT觸發(fā)，LM99采用故障隊列。故障隊列默認關閉，可通過將配置寄存器（09h）中的D0位置為“1”來激活。只有當連續(xù)三次遠程溫度測量超出HIGH、LOW或T_CRIT設定點時，才會觸發(fā)“超出限制”條件。

13. 單觸發(fā)寄存器

單觸發(fā)寄存器用于在設備處于待機模式時啟動單次轉(zhuǎn)換和比較周期，轉(zhuǎn)換完成后設備返回待機狀態(tài)。寫入此寄存器即可觸發(fā)單觸發(fā)轉(zhuǎn)換，寫入的數(shù)據(jù)無關緊要，且不會存儲。

五、寄存器詳解

LM99包含多個寄存器，用于控制和讀取各種參數(shù)，如命令寄存器、本地和遠程溫度寄存器、狀態(tài)寄存器、配置寄存器等。每個寄存器都有特定的功能和默認值，工程師可根據(jù)需要進行配置。

六、應用提示

1. 溫度測量

• 若要測量LM99芯片外部的溫度，可使用遠程二極管。該二極管可位于目標IC的芯片上，實現(xiàn)獨立于LM99溫度的IC溫度測量。
• 注意離散二極管的溫度會受其引腳溫度的影響，且通常由引腳溫度主導。

2. 二極管非理想性

• 二極管的非理想性會影響溫度測量的準確性。非理想性因子η會直接增加傳感器的不準確性，可通過對每個溫度傳感器與配對的遠程二極管進行校準來消除這種影響。
• 對于特定處理器類型，可使用偏移寄存器（11h和12h）減少與非理想性相關的溫度誤差。

3. PCB布局

在嘈雜環(huán)境（如處理器主板）中，PCB布局至關重要。為減少噪聲對溫度轉(zhuǎn)換的影響，應遵循以下原則：

• 在VDD引腳附近放置0.1μF的電源旁路電容，在D +和D -引腳附近放置2.2nF的電容，并確保連接電容的走線匹配。
• 將LM99放置在距離處理器二極管引腳10cm以內(nèi)，走線應盡可能直、短且相同。
• 用接地保護環(huán)包圍二極管走線，但不要在D +和D -線之間設置。
• 避免將二極管走線靠近電源開關或濾波電感、高速數(shù)字和總線線路。
• 若必須與高速數(shù)字走線交叉，應使二者成90度角。
• 將LM99的GND引腳連接到與感測二極管相關的處理器GND附近。
• 盡量減少D +和GND之間的泄漏電流，保持印刷電路板清潔。

七、總結(jié)

LM99作為一款功能強大的遠程二極管溫度傳感器，以其高精度、多功能和良好的兼容性，為電子設備的溫度監(jiān)測提供了可靠的解決方案。在實際應用中，工程師需根據(jù)具體需求合理配置寄存器，優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮LM99的性能。同時，要注意二極管的非理想性對溫度測量的影響，并采取相應的補償措施。希望本文能為電子工程師在使用LM99進行設計時提供有價值的參考。你在使用LM99過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。