应用笔记 4261

测量并校准产品的温度失调

By: Brian C. Wadell

摘要 : 本应用笔记介绍了在测量芯片外部温度的情况下,优化MAX1358/MAX1359数据采集系统温度读数精度的解决方案。

引言

MAX1358/MAX1359数据采集系统内置二极管结温度传感器,利用二极管的I-V特性测量温度,为了提高测量精度,Maxim器件将校准系数存储在数据采集系统内部,修正读数误差,以获得最高精度。

温度读数对应于二极管的实际结温,对于连续监测温度变化的系统,可以直接使用温度读数。对于需要获得封装外部温度的应用,需要对读数进行调整才能得到更准确的数值。

本应用笔记介绍了对特定产品温度偏差的测量以及利用偏差值进行校准的方法。关于器件内部存储的校准系数的使用,请参考应用笔记4296:"Measuring Temperature with the MAX1358 Data Acquisition System"。

温度测量模型

MAX1358/MAX1359的内部温度检测器可以测量内部二极管结的温度,也可以测量外部温度传感器的温度,存储在芯片内部的两个常数(m、b)用于修正内部二极管结温的变化以及其它电路偏离理想状态时所产生的误差。上面提到的应用笔记4296介绍了测量、计算、消除误差的步骤,可以修正不同器件、不同温度下的测量误差。这种四电流测量方法适用于芯片内部和外部二极管结温传感器的检测。

图1. 利用二极管结测量温度
图1. 利用二极管结测量温度

MAX1358/MAX1359测量的是内部结温(图1),图2给出了一个常见的与结温TJ相关的模型,图中TA为环境温度、TC为管壳温度。

图2. 结温和环境温度模型
图2. 结温和环境温度模型

该模型中,将温度特性转换成等效电路。(注:芯片在工厂校准时,工厂可以将芯片置于恒温油槽,将TA和TC强制在相同温度对芯片进行校准。)

图3. 产品的温度模型
图3. 产品的温度模型

一旦芯片安装在电路板上(图3),MAX1358/MAX1359的TJ将取决于以下因素:
  • PCB温度
  • PCB周围的环境温度
  • EP与PCB之间的导热性
  • MAX1358/MAX1359的功耗
  • PCB的耗散功率
  • 产品工作的环境温度
  • 封装与周围环境的隔热层
上述因素直接影响MAX1358/MAX1359内部温度TJ与MAX1358/MAX1359外部测量点温度的差异,这意味着利用器件测量的TJ只是实际温度TEXT的估算值TEST

值得庆幸的是,可以通过一些简单的测试手段缩小TJ与TEXT之间的误差。

温差计算步骤

可以利用一个简单流程修正产品规格的偏差,下面的工作表(图4)给出了修正流程。

修正系数(GS、OS)储存在MAX1358/MAX1359内部(TEMP_CAL寄存器),可通过SPI™总线从芯片内部读取这些数值。利用下式计算修正后的数据:

TESTIMATE (°C) = TMEAS (°C) × GS + OS (°C)

图4. 根据存储的校准系数计算温差的修正值
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图4. 根据存储的校准系数计算温差的修正值

利用修正系数将测量值TJ转换为实际温度的估算值。

测量产品的温差需要两个参数:MAX1358/MAX1359估算的温度值(上述表格中的C)和产品外部的实际温度(表格中的A)。实际温度由高精度传感器、测试仪表,按照测量步骤得到。根据A和C可以计算出D值,产品的温差。通常D在0°C到+6°C之间。

需要按照测量步骤进行重复测试,以确保获得的参数在不同测试环境、同一系列的仪器下保持稳定。如果不能得到稳定的温差值,则需针对每台设备提供定制参数。能够获得稳定参数的情况下,可以将数值直接存储到硬件电路,以便固件调用。如果不能得到稳定的数值,则需在生产过程中将数值存储到每台设备的非易失存储器。

最后,利用D值计算外部温度K,所得结果是校准后的数值,温差读数用于估算实际产品的外部温度。

总结

本文给出了提高MAX1358/MAX1359内部温度传感器读数精度的简易流程。

请注意如果产品只用于观测温度的变化,则无需执行上述流程。例如,只是简单地希望通过温度的升或降来触发其它的功能。这种情况下,无需考虑偏差情况。

还需注意如果外部温度传感器无法直接测量TEXT时,也可以使用类似的流程进行修正。