采用RTD的高EMC性能精密溫度測量解決方案

作者：Jon Geng，ADI 應用工程師? ｜? Li Ke，ADI系統(tǒng)應用工程師? ｜? Karl Wei，ADI核心應用工程師

簡介

您是否想過如何設計一個具有高電磁兼容性(EMC)性能的精密溫度測量系統(tǒng)？本文將討論精密溫度測量系統(tǒng)的設計考慮因素，以及如何在保持測量精度的同時提高系統(tǒng)的EMC性能。我們將以RTD溫度測量為例介紹測試結果和數(shù)據(jù)分析，以便我們能夠輕松地從概念開發(fā)出原型和產(chǎn)品并走向市場。

精密溫度測量和EMC挑戰(zhàn)

溫度測量是模擬領域中最常用的一項檢測技術。許多測量技術可用來檢測環(huán)境溫度。熱敏電阻是一種小尺寸且簡單的2線制方案，具有快速響應時間，但其非線性和有限的溫度范圍限制了其精度和應用。RTD是最穩(wěn)定、最精確的溫度測量方法。RTD設計的難點在于需要外部激勵、復雜電路和校準。沒有溫度測量系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的工程師可能會氣餒。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(tǒng)需要冷端補償(CJC)。與熱敏電阻、TC和RTD相比，新型的數(shù)字溫度傳感器可以直接通過數(shù)字接口提供校準的溫度數(shù)據(jù)。精密溫度測量需要高精度溫度傳感器和精密信號鏈來構成一個溫度測量系統(tǒng)。TC、RTD和數(shù)字溫度傳感器的精度最高。精密信號鏈器件是可以獲得的，可用來收集這些傳感器信號并將其轉換為絕對溫度。在工業(yè)領域，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比較了不同類型的溫度傳感器。

表1.不同類型溫度傳感器的比較

創(chuàng)建數(shù)字溫度測量系統(tǒng)時，特別是針對工業(yè)和鐵路等惡劣環(huán)境中的應用時，不僅要關注精度和設計難度，EMC性能也是保持系統(tǒng)穩(wěn)定的關鍵特性。系統(tǒng)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(tǒng)是非常具有挑戰(zhàn)性的。溫度測量系統(tǒng)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(shù)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(shù)字溫度測量系統(tǒng)，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，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(tǒng)設計人員能夠實現(xiàn)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(tǒng)控制器可以通過SPI接口直接從LTC2983讀取校準的溫度數(shù)據(jù)，精度為0.1°C，分辨率為0.001°C。連接4線RTD時，激勵電流旋轉功能可以自動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(tǒng)的設計，實現(xiàn)高EMC性能而無需復雜的電路設計，讓您和您的客戶更有信心。圖2顯示了EMC保護的LTC2983溫度測量系統(tǒng)框圖。

圖2.EMC保護的LTC2983溫度測量系統(tǒng)

RTD無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，但也可以由鎳或銅制成。

最簡單的RTD溫度測量系統(tǒng)是2線配置，但引線電阻會引入額外的系統(tǒng)溫度誤差。將兩個匹配的電流源施加到RTD（引線電阻應相等），3線配置便可消除引線電阻誤差。利用高阻抗開爾文檢測直接測量傳感器，開爾文配置或4線配置便可消除平衡或不平衡的引線電阻。然而，成本將是4線配置的主要障礙，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接線配置¹?？紤]到實際的客戶用例，本文選擇了3線RTD配置并測試其EMC性能。

圖3.不同RTD接線配置：(a) 2線，(b) 3線，(c) 4線

2線和3線RTD傳感器還可以在PCB上使用開爾文配置。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，這些額外的電阻會引入很大的系統(tǒng)失調。例如，用4線開爾文配置取代2線保護電路可以幫助消除該失調，因為激勵電流不會流過這些限流電阻和RC濾波器，保護電阻引起的誤差可以忽略不計（參見圖4）。欲了解更多信息，請參閱LTC2986數(shù)據(jù)手冊。

圖4.4線配置消除額外的電阻誤差

溫度測量系統(tǒng)的穩(wěn)健性挑戰(zhàn)

與大多數(shù)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險并提高系統(tǒng)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(tǒng)中，噪聲源來自周圍環(huán)境。耦合路徑是傳感器電纜，LTC2983是接收器。工業(yè)自動化和鐵路應用總是使用長傳感器電纜來檢測遠程器件的溫度。傳感器電纜的長度可以是數(shù)米甚至數(shù)十米。較長的電纜導致耦合路徑更大，溫度測量系統(tǒng)面臨更嚴重的EMI挑戰(zhàn)。

圖5.溫度測量系統(tǒng)的EMI事件的三要素

采用TVS的系統(tǒng)級保護解決方案

瞬變電壓抑制器(TVS)和限流電阻是最常見的保護器件。選擇合適的TVS和限流電阻不僅可以提高系統(tǒng)穩(wěn)健性，還能保持系統(tǒng)的高測量性能。表2顯示了TVS器件的主要參數(shù)，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(tǒng)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。反向漏電流會對系統(tǒng)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(shù)

正常工作條件下，TVS器件表現(xiàn)出很高的對地阻抗。將一個大于TVS擊穿電壓的瞬變電壓施加于系統(tǒng)輸入端時，一旦TVS被擊穿，輸入端電壓就會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PT-1000保護電路。3線PT-1000通過三個相鄰通道連接到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路中的RF成分，使每條線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²。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(tǒng)依據(jù)IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-3、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5和IEC 61000-4-6標準進行了測試。在這些測試下，系統(tǒng)必須正常工作并提供精確的溫度測量。被測傳感器是B類3線PT-1000，其使用約10 m長的屏蔽線。

表3列出了IEC 61000-4-x抗擾度測試項目、測試電平和系統(tǒng)受EMI事件干擾時的溫度波動。圖6顯示了測試時的輸出溫度數(shù)據(jù)曲線，其對應于表3中的最大溫度波動。

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(tǒng)不受EMC影響。箝位電壓越低的TVS，越能保護敏感電路。但反過來，它們可能產(chǎn)生系統(tǒng)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在正常工作電壓下漏電流更少。TVS漏電流越低，則給系統(tǒng)增加的誤差越小。

圖6.測試時的輸出溫度數(shù)據(jù)曲線

表4.Littelfuse SMAJ5.0A TVS的電氣特性

考慮這些因素，我們使用了一個Littelfuse SMAJ5.0A TVS（可以在大多數(shù)電子元器件經(jīng)銷商那里買到）和一個精度為±0.1％的100Ω限流電阻來保護系統(tǒng)，避免引入任何顯著的測量誤差。

為了實現(xiàn)高測量精度，我們使用精密電阻矩陣來替換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萬用表進行了校準。

為了減輕消除匹配引線電阻誤差的困難，我們使用4線配置來評估系統(tǒng)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(tǒng)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，將每個溫度點寫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計算溫度結果³。

當T > 0°C時，公式為：

計算對應于電阻值的溫度：

當T ≤ 0°C時，公式為：

溫度通過多項式擬合得到：

其中：

T為RTD溫度(°C)。

R_RTD(T)為RTD電阻(Ω)。

R₀為RTD在0°C時的電阻（R₀= 1000 Ω）。

A = 3.9083 × 10^?3

B = –5.775 × 10^-7

C = ?4.183 × 10^?12

圖7顯示，在-134°C至+607°C的溫度范圍內，總系統(tǒng)誤差不超過±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(tǒng)誤差，尤其是TVS漏電流。可以看到，隨著溫度升高，系統(tǒng)誤差增加。這就涉及到TVS的I-V曲線特性。

圖7.系統(tǒng)誤差與溫度的關系

系統(tǒng)誤差可計算如下：

其中：

T_error為LTC2983溫度測量系統(tǒng)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進行校準。

T_LTC2983是LTC2983輸出溫度(°C)。

圖8說明，系統(tǒng)總峰峰值噪聲不超過±0.01°C，此結果符合數(shù)據(jù)手冊規(guī)格。

圖8.系統(tǒng)峰峰值噪聲與溫度的關系

圖9.LTC2983對RTD溫度測量的誤差貢獻

圖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曲線特性可以從器件的數(shù)據(jù)手冊中找到。然而，大多數(shù)TVS制造商僅提供器件參數(shù)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(shù)據(jù)。

本應用中使用Littelfuse SMAJ5.0A TVS。測試一些樣品之后，我們發(fā)現(xiàn)漏電流在1 V反向電壓約為1μA，遠小于TVS數(shù)據(jù)手冊給出的最大反向漏電流。這種漏電流會產(chǎn)生重大系統(tǒng)誤差。但是，如果使能LTC2983的激勵電流旋轉，則會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。

當R_sense與流過RTD的激勵電流相同時，RTD的電阻R_T可以表示為⁴：

當對正向激勵流使用激勵電流旋轉配置時（如圖10(a)所示），RTD電阻R_RTD1計算如下：

其中：

R_sense為檢測電阻的實際電阻值

R_RTD為測量周期中RTD的實際電阻值

V_sense1為檢測電阻處的實測電壓值

V_RTD1為正向激勵流周期中RTD的實測電壓值，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（如圖10(b)所示），RTD電阻R_RTD2計算如下：

其中：

V_sense2為檢測電阻的實測電壓值。

V_RTD2為反向激勵流周期中RTD的實測電壓值，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(jù)TVS測量數(shù)據(jù)，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TVS的位置和匹配程度可能會引起相當大的系統(tǒng)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，R_RTD1或R_RTD2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，最終計算結果為：

當Error(R_RTDROT) = min {Error(R_RTD1), Error(R_RTD2)}時，Error (R_RTDROT)將等于Error (R_RTD1)，或者Error(R_RTDROT)將等于Error(R_RTD2)。根據(jù)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，由于TVS漏電流，系統(tǒng)的精度將會降低16.7％。

根據(jù)配置和測試結果，I_exc> 6 × I_TVS，因此

通常，I_exc> 100 × I_TVS。圖11顯示了系統(tǒng)誤差，其中：

R_RTDROT為采用激勵電流旋轉時的最終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(tǒng)誤差。如圖所示，當不使用TVS時，旋轉和非旋轉配置的系統(tǒng)精度大致相同。然而，使能激勵電流旋轉會自動消除寄生熱電偶效應，對此的更詳細說明請參閱LTC2983數(shù)據(jù)手冊。使用TVS保護系統(tǒng)時，總系統(tǒng)誤差會增加。但是，激勵電流旋轉配置可以顯著降低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現(xiàn)與非TVS保護系統(tǒng)類似的精度水平。與沒有TVS的系統(tǒng)相比，額外的誤差是由TVS器件間差異貢獻的。

圖11.系統(tǒng)誤差與不同硬件和軟件配置的關系

結論

溫度測量系統(tǒng)設計常被認為不是艱巨的任務。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)設計人員而言，開發(fā)高度精確且穩(wěn)健的溫度測量系統(tǒng)是一個挑戰(zhàn)。LTC2983智能數(shù)字溫度傳感器可以幫助戰(zhàn)勝這一挑戰(zhàn)，開發(fā)出可以快速推向市場的產(chǎn)品。

?這種受保護的LTC2983溫度測量系統(tǒng)具有±0.4°C的系統(tǒng)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減少保護器件的漏電流誤差效應。

?LTC2983溫度測量系統(tǒng)可以在常見保護器件的加持下提供高EMC性能。有關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器件和限流電阻來獲得不同的測量精度和EMC性能，以滿足您的生產(chǎn)需求。

參考資料

¹Logan Cummings?！癛obust Industrial Sensing with the Temperature-to-Bits Family”（采用溫度轉比特系列產(chǎn)品實現(xiàn)魯棒的工業(yè)檢測）。Journal of Analog Innovation，第27卷第1號。凌力爾特，2017年4月。

²Colm Slattery、Derrick Hartmann和Li Ke?！癝implifying design of industrial process-control systems with PLC evaluation boards”（利用PLC評估板簡化工業(yè)過程控制系統(tǒng)設計）。EE Times，2009年8月。

³CN0383：采用低功耗、精密、24位Σ-Δ ADC的全集成式2線、3線或4線RTD測量系統(tǒng)。ADI公司，2020年10月。

⁴Tom Domanski。“利用LTC2983溫度轉比特IC優(yōu)化RTD溫度測量的檢測電阻成本和精度”。ADI公司。

作者簡介

Jon Geng于2018年加入ADI公司，現(xiàn)為中國核心應用中心的應用工程師。他的專業(yè)領域是開關、MXU、基準電壓源、溫度傳感器和煙霧檢測。Jon于2018年從貴州大學獲得機械工程碩士學位，于2015年從河北師范大學獲得電子工程學士學位。聯(lián)系方式：jon.geng@analog.com。

Li Ke是位于愛爾蘭利默里克的自動化與能源事業(yè)部的系統(tǒng)應用工程師。Li于2007年在中國上海加入ADI公司，擔任精密轉換器產(chǎn)品線產(chǎn)品應用工程師。此前，他曾在Agilent Technologies公司的化學分析部門擔任過四年的研發(fā)工程師。他于1999年獲得西安交通大學電子工程學士學位，并于2003年獲得西安交通大學生物醫(yī)學工程碩士學位。聯(lián)系方式：ke.li@analog.com。

Karl Wei于2000年加入ADI公司，現(xiàn)為中國核心應用團隊的系統(tǒng)應用經(jīng)理。他的專業(yè)領域是工業(yè)應用中的精密信號鏈。此前，他在IC測試開發(fā)工程和營銷領域工作了8年。他于1992年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學，獲得電氣工程碩士學位。聯(lián)系方式：karl.wei@analog.com。

關鍵詞： 溫度測量 激勵電流 系統(tǒng)誤差 限流電阻 溫度傳感器