为什么NST1001是一款革命性温度传感器产品
2019-07-04 09:07

温度传感器种类繁多,应用也极为广泛,在我们日常所需的汽车、消费电子、家用电器等产品上都存在一个至数个温度传感器。较比其他种类传感器,温度传感器出现的最早,相继出现了热电偶传感器、RTD铂电阻和集成半导体温度传感器等多种温度传感器,并且随着技术的发展,新型温度传感器还在不断涌现。

本文要介绍的就是一种新型的温度传感器——纳芯微电子D-NTC™系列高精度双引脚数字脉冲输出温度传感器芯片918国际厅NST1001。这里会介绍它的产品特性和应用电路,让大家全面了解下这款革命性的数字测温产品。

常用测温方案对比

温度传感器的使用非常广泛,大到工业过程控制中的温度变送器,小到家庭必备的电子体温计都需要通过温度传感器来实现温度检测,但在这些应用场景中,所采用的测温方案是不同的。

根据测温原理,测温方案主要有如下几大类:

热电偶

铂电阻RTD

热敏电阻NTC

CMOS温度传感器

图1:不同种类的测温方案

热电偶温度范围最宽,可达-200℃~2000℃,使用时需要外部参考端,较为复杂。铂电阻RTD精度高,范围范围也比较宽,但成本较高,外围电路复杂。NTC热敏电阻成本较低,但精度有限,本身具有温度系数大和非线性输出的特点。CMOS温度传感器又称为IC温度传感器,包括模拟输出和数字输出两种类型。与上述三种温度传感器相比,CMOS温度传感器具有非常高的线性度,低系统成本,功能集成度高,外围简单,能支持数字输出,主要缺点是测温范围一般集中在-40℃~125℃,较为局限。

用一张图表来对比,更加直观:

表1:几种常见测温方案对比

通过以上对比,大家已经了解了几种测温方案的差异,这些差异也决定了不同的应用场景。热电偶和RTD两种方案测温范围宽,使用复杂,所以基本局限在工业应用。热敏电阻NTC因为低成本和相对易于使用的优点使其应用非常广泛,例如汽车上的水温、油温、发动机进气温度、缸内温度到尾气温度,家电和小家电中的空调、冰箱电饭煲等等这些都是NTC的主战场,物联网应用中的环境温度测量、水温探头,电子体温计等也都是采用以NTC为主的测温方案。

CMOS数字温度传感器过去主要以IC形态存在,采用标准IC的SOP8脚封装,用在电子产品中的板级测温,比如硬盘、主板上,输出信号以I2C接口为主,也有部分采用模拟电压输出。随着摩尔定律的发展,基于CMOS工艺的数字温度传感器性能越来越好,成本也越来越低。

为什么NST1001是一款革命性温度传感器产品

通过上述说明,可以发现NTC使用最为广泛,但本质上作为一颗电阻,出身被动器件的草根属性也带给了它与生俱来的缺点,精度主要靠生产工艺和分选,内部没有电路,没有校准能力,使用时依赖外部参考电阻分压检测。传统CMOS数字温度传感器则更像是一个标准IC,采用的SOP8封装尺寸也较大,响应时间较长,引脚较多,不能与NTC直接替换。

纳芯微电子D-NTC™系列NST1001产品兼具了热敏电阻及CMOS数字温度传感器两者的优势,结合纳芯微扎实的混合信号链IC设计能力及创新性专利技术,为传统NTC测温市场带来了一场全新的变革。NST1001本身是一颗内部有完整的电源电路、数字电路、模拟电路,及数据处理和存储能力的IC,具有100%出厂校准的温度精度保证的同时,采用了极简的2脚封装,外围电路也能够与NTC直接兼容,参考电阻支持上拉与下拉。

NST1001提供TO-92S和DFN2L两种封装,前者便于探头二次封装,后者则拥有0.12S的极速响应时间和与0603贴片电阻兼容的外形,更适合于快速响应测温应用和板级测温场景。

图1:NST1001(DFN2L封装)与1元硬币大小对比

NST1001功能特点

双引脚简化温度测量,无需额外器件

两脚连接,节约布线资源

宽温度范围–50°C至150°C

分辨率高,最高可达0.0625℃

全温域内保持高精度

-20℃ ~ 85℃:0.5℃(最大)

-50℃ ~ -20 ℃:0.75 ℃(最大)

+85℃ ~ 150 ℃:0.75 ℃(最大)

脉冲数型数字输出,无需AD转换接口

单次温度转换时间50ms

转换时工作电流仅30uA,零待机功耗

供电范围宽,1.65V到5.5V

封装形式

TO-92s(4mm x 3mm)

DFN2L(1.6mm x 0.8mm)

NST1001管脚定义与功能描述

图2:NST1001封装外形及管脚定义

表2:NST1001管脚功能描述

NST1001典型应用电路

D-NTC™的最大优势就是使用简单。NST1001支持上拉与下拉电阻两种接法,易于使用,接下来具体介绍:

上拉电阻接法与输出波形:

图3:NST1001上拉电阻连接应用电路示意图

图3是NST1001的上拉接法典型应用连接图。上拉电阻R1可以直接连到MCU的VDD,也可以通过一个单独的GPIO(图中为GPIO1)为NST1001供电,以便不用时关掉其供电来节省功耗。有些MCU的GPIO自带有可配置的上拉电阻,也可以替代外部电阻R1。在某些应用中为了提高对外部抗干扰的能力,可以在靠近NST1001处增加电容C1。C1的取值见下文。图4是上拉电阻连接模式的典型DQ输出波形。

图4: NST1001上拉电阻DQ脉冲波形图

下拉电阻接法与输出波形:

图5:NST1001下拉电阻连接应用电路示意图

图5是NST1001的下拉电阻接法典型应用连接图,类似于常见的NTC温度采集方案。对应的输出波形见图6。                                       

图6:NST1001下拉电阻脉冲测试波形图

典型电路中R1与C1的取值

接下来展开来介绍一下典型电路中R1与C1的取值:

上拉或下拉电阻R1可以选取值在500 ohm到10k ohm之间。具体的取值需要在最低工作电压,功耗和传输距离之间进行折衷。由于NST1001进行温度转换时有最大45uA的电流,越小的R1在其上的压降就越小,给芯片的供电电压就越高。VDD的最小值可以用如下公式进行估算:

另一方面,温度数据发送时的功耗随着电阻的减小而变大,因此为了最小化功耗,需要尽量采用更大的电阻。而在有些需要长距离传输的情况下,考虑到寄生电容对数据传输的影响,为了保证温度脉冲信号可以被正常的发送出来,电阻R1不能取的太大。

图7上拉模式下DQ脉冲波形

如图7,在上拉模式下,由于DQ引脚开关电阻仅为50ohm左右,因此输出拉低速度一般较快,传输能力主要受限于输出由低变高时,输出从低拉高到95%稳态值的时间TLH可以如下公式进行计算。

其中C1为外部滤波电容,Cpar为线束对地寄生电容。TLH需要小于DQ高脉冲的最短时间4us。假设R1为5.1k ohm,不考虑Cpar,则C1需要不大于261pF。

实际使用时,用户需要根据实际应用的情况,在最低工作电压,功耗和传输距离三个因素之间进行折中。

NST1001温度计算公式与对应温度表

NST1001的使用简单除了管脚数量少还体现在测温数据获取简单,通过下述方程即可直接得到校准后的温度值:

温度计算方程:

其中:Temp是温度值(-50 ℃ ~ 150 ℃),Num是脉冲数(1 ~3201个)。

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下期内容将介绍NST1001评估套件的使用,有兴趣的朋友欢迎留言索取评估套件。

图8:NST1001 USB评估板实物 

图9:NST1001 USB评估软件

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