具有高電磁兼容性(EMC)性能的精密溫度測量系統設計參考

本文將討論精密溫度測量系統的設計考慮因素，以及如何在保持測量精度的同時(shí)提高系統的EMC性能。我們將以RTD溫度測量為例介紹測試結果和數據分析，以便我們能夠輕松地從概念開(kāi)發(fā)出原型和產(chǎn)品并走向市場(chǎng)。

精密溫度測量和EMC挑戰 溫度測量是模擬領(lǐng)域中最常用的一項檢測技術(shù)。許多測量技術(shù)可用來(lái)檢測環(huán)境溫度。熱敏電阻是一種小尺寸且簡(jiǎn)單的2線(xiàn)制方案，具有快速響應時(shí)間，但其非線(xiàn)性和有限的溫度范圍限制了其精度和應用。RTD是最穩定、最精確的溫度測量方法。RTD設計的難點(diǎn)在于需要外部激勵、復雜電路和校準。沒(méi)有溫度測量系統開(kāi)發(fā)經(jīng)驗的工程師可能會(huì )氣餒。熱電偶(TC)可以提供堅固耐用、便宜、不同測量范圍的解決方案，但完整的熱電偶測溫系統需要冷端補償(CJC)。與熱敏電阻、TC和RTD相比，新型的數字溫度傳感器可以直接通過(guò)數字接口提供校準的溫度數據。精密溫度測量需要高精度溫度傳感器和精密信號鏈來(lái)構成一個(gè)溫度測量系統。TC、RTD和數字溫度傳感器的精度最高。精密信號鏈器件是可以獲得的，可用來(lái)收集這些傳感器信號并將其轉換為絕對溫度。在工業(yè)領(lǐng)域，達到0.1°C的精度是我們的目標。這種精度測量不包括傳感器誤差。表1比較了不同類(lèi)型的溫度傳感器。

表1. 不同類(lèi)型溫度傳感器的比較

創(chuàng )建數字溫度測量系統時(shí)，特別是針對工業(yè)和鐵路等惡劣環(huán)境中的應用時(shí)，不僅要關(guān)注精度和設計難度，EMC性能也是保持系統穩定的關(guān)鍵特性。系統需要額外的電路和分立器件以提高EMC性能。但是，更多的保護器件意味著(zhù)更多的誤差源。因此，設計具有高檢測精度和高EMC性能的溫度測量系統是非常具有挑戰性的。溫度測量系統的EMC性能決定其能否在指定的電磁環(huán)境中正常工作。

ADI公司提供各種溫度測量解決方案，例如精密模數轉換器(ADC)、模擬前端(AFE)、IC溫度傳感器等。ADI AFE解決方案提供多傳感器高精度數字溫度測量系統，支持直接TC測量、直接RTD測量、直接熱敏電阻測量和定制傳感器應用。當增加EMC保護器件時(shí)，一些特殊配置可以幫助保持高測量精度。圖1顯示了經(jīng)典比率式溫度測量電路和計算公式。

圖 1. 經(jīng)典比率式溫度測量電路和計算公式

以下部分介紹了溫度檢測解決方案，以便系統設計人員能夠實(shí)現出色的EMC性能。

RTD溫度測量解決方案 以 LTC2983 溫度測量AFE為例。系統控制器可以通過(guò)SPI接口直接從LTC2983讀取校準的溫度數據，精度為0.1°C，分辨率為0.001°C。連接4線(xiàn)RTD時(shí)，激勵電流旋轉功能可以自動(dòng)消除熱電偶的寄生效應，并降低信號電路漏電流的影響?；谶@些特性，LTC2983可以加速多通道精密溫度測量系統的設計，實(shí)現高EMC性能而無(wú)需復雜的電路設計，讓您和您的客戶(hù)更有信心。圖2顯示了EMC保護的LTC2983溫度測量系統框圖。

圖 2. EMC 保護的 LTC2983 溫度測量系統

RTD無(wú)疑是高精度溫度測量的出色選擇，可以測量-200°C至+800°C范圍內的溫度。100Ω和1000Ω鉑RTD最常見(jiàn)，但也可以由鎳或銅制成。

最簡(jiǎn)單的RTD溫度測量系統是2線(xiàn)配置，但引線(xiàn)電阻會(huì )引入額外的系統溫度誤差。將兩個(gè)匹配的電流源施加到RTD（引線(xiàn)電阻應相等），3線(xiàn)配置便可消除引線(xiàn)電阻誤差。利用高阻抗開(kāi)爾文檢測直接測量傳感器，開(kāi)爾文配置或4線(xiàn)配置便可消除平衡或不平衡的引線(xiàn)電阻。然而，成本將是4線(xiàn)配置的主要障礙，因為其需要更多電纜，特別是針對遠距離溫度測量。圖3顯示了不同的RTD接線(xiàn)配置?？紤]到實(shí)際的客戶(hù)用例，本文選擇了3線(xiàn)RTD配置并測試其EMC性能。

圖 3. 不同 RTD 接線(xiàn)配置：(a) 2 線(xiàn)，(b) 3 線(xiàn)，(c) 4 線(xiàn)

2線(xiàn)和3線(xiàn)RTD傳感器還可以在PCB上使用開(kāi)爾文配置。當需要將限流電阻和RC濾波器添加到信號鏈路以保護器件的模擬輸入引腳時(shí)，這些額外的電阻會(huì )引入很大的系統失調。例如，用4線(xiàn)開(kāi)爾文配置取代2線(xiàn)保護電路可以幫助消除該失調，因為激勵電流不會(huì )流過(guò)這些限流電阻和RC濾波器，保護電阻引起的誤差可以忽略不計（參見(jiàn)圖4）。欲了解更多信息，請參閱 LTC2986數據手冊。

圖 4. 4 線(xiàn)配置消除額外的電阻誤差

溫度測量系統的穩健性挑戰 與大多數溫度測量IC一樣，LTC2983可以耐受2 kV HBM ESD電平。但在工業(yè)自動(dòng)化、鐵路和其他苛刻電磁環(huán)境中，電子器件需要面對更高的干擾電平和更復雜的EMC事件，例如靜電放電(ESD)、電快速瞬變(EFT)、輻射敏感性(RS)、傳導敏感性(CS)和浪涌等。為了降低下游設備遭到損壞的風(fēng)險并提高系統的魯棒性，額外的分立保護器件是必要的。 EMC事件的三要素是噪聲源、耦合路徑和接收器。如圖5所示，在該溫度測量系統中，噪聲源來(lái)自周?chē)h(huán)境。耦合路徑是傳感器電纜，LTC2983是接收器。工業(yè)自動(dòng)化和鐵路應用總是使用長(cháng)傳感器電纜來(lái)檢測遠程器件的溫度。傳感器電纜的長(cháng)度可以是數米甚至數十米。較長(cháng)的電纜導致耦合路徑更大，溫度測量系統面臨更嚴重的EMI挑戰。

圖 5. 溫度測量系統的 EMI 事件的三要素

采用TVS的系統級保護解決方案

瞬變電壓抑制器(TVS)和限流電阻是最常見(jiàn)的保護器件。選擇合適的TVS和限流電阻不僅可以提高系統穩健性，還能保持系統的高測量性能。表2顯示了TVS器件的主要參數，包括工作峰值反向電壓、擊穿電壓、最大箝位電壓和最大反向漏電流。工作峰值反向電壓必須高于最大傳感器信號，以確保系統正常工作。擊穿電壓不應比信號電壓高很多，以避免產(chǎn)生很寬的無(wú)保護電壓范圍。最大箝位電壓決定TVS可以抑制的最大干擾信號電壓。反向漏電流會(huì )對系統貢獻很大的測量誤差，因此應選擇反向漏電流盡可能小的TVS。

表2. TVS主要參數 正常工作條件下，TVS器件表現出很高的對地阻抗。將一個(gè)大于TVS擊穿電壓的瞬變電壓施加于系統輸入端時(shí)，一旦TVS被擊穿，輸入端電壓就會(huì )被箝位并提供低阻抗接地路徑，將瞬變電流從輸入端轉移到地。 圖2所示為3線(xiàn)PT-1000保護電路。3線(xiàn)PT-1000通過(guò)三個(gè)相鄰通道連接到LTC2983，其受到SMAJ5.0A TVS和100Ω限流電阻的保護。限流電阻和下游電容形成低通濾波器，以盡可能多地消除輸入線(xiàn)路中的RF成分，使每條線(xiàn)路和地之間的交流信號保持平衡，并在測量帶寬上維持足夠高的輸入阻抗以避免加載信號源。差分模式濾波器的-3 dB帶寬為7.9 kHz，共模濾波器的-3 dB帶寬為1.6 MHz。 該溫度測量系統依據IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-3、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5和IEC 61000-4-6標準進(jìn)行了測試。在這些測試下，系統必須正常工作并提供精確的溫度測量。被測傳感器是B類(lèi)3線(xiàn)PT-1000，其使用約10 m長(cháng)的屏蔽線(xiàn)。 表3列出了IEC 61000-4-x抗擾度測試項目、測試電平和系統受EMI事件干擾時(shí)的溫度波動(dòng)。圖6顯示了測試時(shí)的輸出溫度數據曲線(xiàn)，其對應于表3中的最大溫度波動(dòng)。

表3. EMI測試結果

增加保護后的溫度測量精度

TVS和限流電阻有助于保護溫度測量系統不受EMC影響。箝位電壓越低的TVS，越能保護敏感電路。但反過(guò)來(lái)，它們可能產(chǎn)生系統誤差。為了應對這種情況，我們必須使用具有更高擊穿電壓的TVS，因為更高的擊穿電壓意味著(zhù)在正常工作電壓下漏電流更少。TVS漏電流越低，則給系統增加的誤差越小。

圖 6. 測試時(shí)的輸出溫度數據曲線(xiàn)
表4. Littelfuse SMAJ5.0A TVS的電氣特性 考慮這些因素，我們使用了一個(gè)Littelfuse SMAJ5.0A TVS（可以在大多數電子元器件經(jīng)銷(xiāo)商那里買(mǎi)到）和一個(gè)精度為±0.1%的100Ω限流電阻來(lái)保護系統，避免引入任何顯著(zhù)的測量誤差。 為了實(shí)現高測量精度，我們使用精密電阻矩陣來(lái)替換PT-1000傳感器并模擬溫度變化。該精密電阻矩陣已利用Keysight Technologies 3458A萬(wàn)用表進(jìn)行了校準。 為了減輕消除匹配引線(xiàn)電阻誤差的困難，我們使用線(xiàn)配置來(lái)評估系統的精度性能。這更有利于消除傳感器誤差。 為了更準確地計算系統誤差，我們需要使用與LTC2983相同的標準將電阻值轉換為溫度。傳感器制造商發(fā)布的溫度查找表是最準確的轉換方法。但是，將每個(gè)溫度點(diǎn)寫(xiě)入處理器的存儲器中是不明智的。因此，我們使用以下公式來(lái)計算溫度結果。 當T > 0°C時(shí)，公式為： ?計算對應于電阻值的溫度： ?當T ≤ 0°C時(shí)，公式為： ?溫度通過(guò)多項式擬合得到： ?其中：T為RTD溫度(°C)。R_RTD(T)為RTD電阻(Ω)。R₀ 為RTD在0°C時(shí)的電阻（R₀ = 1000 Ω）。A = 3.9083 × 10^–3B = –5.775 × 10^–7C = –4.183 × 10^–12 圖7顯示，在-134°C至+607°C的溫度范圍內，總系統誤差不超過(guò)±0.4°C。與圖9（顯示了LTC2983對RTD溫度測量的誤差貢獻）相比，附加保護器件增加了大約±0.3°C的系統誤差，尤其是TVS漏電流?？梢钥吹?，隨著(zhù)溫度升高，系統誤差增加。這就涉及到TVS的I-V曲線(xiàn)特性。系統誤差可計算如下 ?其中：T_error 為L(cháng)TC2983溫度測量系統的總輸出誤差(°C)。T_cal 為利用精密電阻計算的溫度(°C)，已利用Keysight Technologies 3458A進(jìn)行校準。T_LTC2983 是LTC2983輸出溫度(°C)。 圖8說(shuō)明，系統總峰峰值噪聲不超過(guò)±0.01°C，此結果符合數據手冊規格。 圖 7. 系統誤差與溫度的關(guān)系
圖 8. 系統峰峰值噪聲與溫度的關(guān)系
圖 9. LTC2983 對 RTD 溫度測量的誤差貢獻
10. 激勵電流旋轉配置：(a) 正向激勵流，(b) 反向激勵流

TVS誤差貢獻和優(yōu)化配置 TVS的I-V曲線(xiàn)特性可以從器件的數據手冊中找到。然而，大多數TVS制造商僅提供器件參數的典型值，而不是計算TVS在特定電壓下的誤差貢獻（尤其是漏電流誤差）所需的全部I-V數據。 本應用中使用Littelfuse SMAJ5.0A TVS。測試一些樣品之后，我們發(fā)現漏電流在1 V反向電壓約為1μA，遠小于TVS數據手冊給出的最大反向漏電流。這種漏電流會(huì )產(chǎn)生重大系統誤差。但是，如果使能LTC2983的激勵電流旋轉，則會(huì )大大減少漏電流誤差效應。圖10顯示了激勵電流旋轉配置和TVS漏電流流動(dòng)。 當R_sense與流過(guò)RTD的激勵電流相同時(shí)，RTD的電阻R_T可以表示為： ?當對正向激勵流使用激勵電流旋轉配置時(shí)（如圖10(a)所示），RTD電阻R_RTD1計算如下： ? ? ?其中：R_sense 為檢測電阻的實(shí)際電阻值R_RTD 為測量周期中RTD的實(shí)際電阻值V_sense1 為檢測電阻處的實(shí)測電壓值V_RTD1 為正向激勵流周期中RTD的實(shí)測電壓值，如圖10(a)所示。R_RTD1 為正向激勵流周期中RTD的計算值 當對反向激勵流使用激勵電流旋轉配置時(shí)（如圖10(b)所示），RTD電阻R_RTD2計算如下： ? ? ?其中：V_sense2 為檢測電阻的實(shí)測電壓值。V_RTD2 為反向激勵流周期中RTD的實(shí)測電壓值，如所示圖10(b)所示。R_RTD2 為反向激勵流周期中RTD的計算值 根據TVS測量數據，在2 V反向電壓下，最大漏電流和最小漏電流之差平均約為10%。四個(gè)TVS的位置和匹配程度可能會(huì )引起相當大的系統誤差。為了顯示誤差最大的情況，我們可以假設I_TVS為平均漏電流， I_TVS1 = I_TVS2 = 0.9 × I_TVS，而 I_TVS3 = I_TVS4 = 1.1 × I_TVS。 ? ? ?如果不使用激勵電流旋轉配置，RRTD1或RRTD2將包括最大TVS誤差貢獻。 或 為誤差因子。使用激勵電流旋轉配置時(shí)，最終計算結果為： ? ? ? ?當Error(R_RTDROT) = min {Error(R_RTD1), Error(R_RTD2)}時(shí)，Error (R_RTDROT)將等于Error (R_RTD1)，或者Error(R_RTDROT)將等于Error(R_RTD2)。根據公式13至公式18，當I_exc = 6 ×I_TVS，Error (R_RTDROT)將等于min {Error(R_RTD1), Error(R_RTD2)}。當I_exc = 6 × I_TVS時(shí)，由于TVS漏電流，系統的精度將會(huì )降低16.7%。 ?根據配置和測試結果，I_exc > 6 × I_TVS，因此I_exc > 100 × I_TVS。圖11顯示了系統誤差，其中：R_RTDROT為采用激勵電流旋轉時(shí)的最終RTD電阻計算結果。Error(R_RTDROT) 在使用激勵電流旋轉配置時(shí)的TVS誤差貢獻，單位為°C。Error(R_RTD1) 和 Error(R_RTD2) 是不使用旋轉配置時(shí)的TVS誤差貢獻，單位為°C。 上面的推導告訴我們，激勵電流旋轉配置可以減少TVS漏電流的誤差貢獻。以下測試結果證實(shí)了我們的斷言。 圖11顯示了不同激勵電流模式和TVS配置的系統誤差。如圖所示，當不使用TVS時(shí)，旋轉和非旋轉配置的系統精度大致相同。然而，使能激勵電流旋轉會(huì )自動(dòng)消除寄生熱電偶效應，對此的更詳細說(shuō)明請參閱 LTC2983數據手冊。使用TVS保護系統時(shí)，總系統誤差會(huì )增加。但是，激勵電流旋轉配置可以顯著(zhù)降低TVS漏電流的誤差影響，從而有助于在大部分溫度測量范圍內實(shí)現與非TVS保護系統類(lèi)似的精度水平。與沒(méi)有TVS的系統相比，額外的誤差是由TVS器件間差異貢獻的。

圖 11. 系統誤差與不同硬件和軟件配置的關(guān)系

結論 溫度測量系統設計常被認為不是艱巨的任務(wù)。然而，對于大多數系統設計人員而言，開(kāi)發(fā)高度精確且穩健的溫度測量系統是一個(gè)挑戰。LTC2983智能數字溫度傳感器可以幫助戰勝這一挑戰，開(kāi)發(fā)出可以快速推向市場(chǎng)的產(chǎn)品。

• 這種受保護的LTC2983溫度測量系統具有±0.4°C的系統精度。測量誤差包括LTC2983誤差、TVS?限流電阻誤差和PCB誤差貢獻。
• LTC2983旋轉激勵電流配置可以顯著(zhù)減少保護器件的漏電流誤差效應。
• LTC2983溫度測量系統可以在常見(jiàn)保護器件的加持下提供高EMC性能。有關(guān)EMI測試結果，請參閱表3。

本文給出了某些特定配置的精度和EMC性能測試結果。您可以選擇不同的TVS器件和限流電阻來(lái)獲得不同的測量精度和EMC性能，以滿(mǎn)足您的生產(chǎn)需求。