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一种双通道数字温度计和低温/超温警报ADM1021A介绍

2020-9-23 15:24:52  80 ADM1021A
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特征
ADM1021的替代品
片上和遥感温度
无需校准
*片上传感器1°C精度
*3°C遥感器精度
*可编程超温/低温限制
*可编程转换率
*2线SMBus串行接口
*支持系统管理总线(SMBus)警报
*最大工作电流200毫安
*1毫安待机电流
*3 V至5.5 V电源
*16导小QSOP封装
应用
*台式计算机
*笔记型电脑
*智能电池
*工业控制器
*电信设备
*仪表
产品描述
ADM1021A是一种双通道数字温度计和低温/超温警报,用于个人计算机和其他需要热监测和管理的系统。该设备可以使用二极管连接的PNP晶体管测量微处理器的温度,该晶体管可以在奔腾III或类似处理器的情况下提供在芯片上,也可以是低成本的离散NPN/PNP设备,例如2N3904/2N3906。一种新的测量技术消除了晶体管基极发射极电压的绝对值,因此不需要校准。第二个测量通道测量片上温度传感器的输出,以监测设备及其环境的温度。
ADM1021A通过与SMBus标准兼容的双线串行接口进行通信。低温和超温限制可以通过串行总线编程到设备中,当芯片或远程温度超出范围时,会发出警报输出信号。此输出可以用作中断或SMBus警报。

ADM1021A–典型性能特征

功能描述
ADM1021A包含一个具有特殊输入信号调节功能的双通道a-D转换器,可通过远程和片上二极管温度传感器进行操作。当ADM1021A正常工作时,A-D转换器以自由运行模式工作。模拟输入多路复用器交替选择片上温度传感器来测量其本地温度,或选择远程温度传感器。这些信号由ADC数字化,结果存储在本地和远程温度值寄存器中,作为8位,两个补码。
测量结果与存储在四个片上寄存器中的本地和远程、高低温限值进行了比较。超出限制的比较生成存储在状态寄存器中的标志,一个或多个超出限制的结果将导致警报输出拉低。
可以通过串行系统管理总线对极限寄存器进行编程,并对设备进行控制和配置。
任何寄存器的内容也可以通过SMBus读回。
控制和配置功能包括:
•在正常操作和待机模式之间切换设备。
•屏蔽或启用警报输出。
•选择转换率。
初始通电时,远程和本地温度值默认为-128°C。由于设备通常会通电转换,因此会测量本地和远程温度,然后在与存储的限值进行比较之前存储这些值。但是,如果部件在待机模式下通电(STBY引脚拉低),则在进行比较之前不会向寄存器写入新值。结果,RLOW和LLOW都在状态寄存器中被触发,从而产生一个警报输出。可以通过以下两种方式之一清除:
1、将本地和远程下限都更改为–128°C并读取状态寄存器(进而清除警报输出)。
2、将部件从待机状态取出并读取状态寄存器(进而清除警报输出)。只有当测量值在极限值范围内时,这才起作用。
测量方法
测量温度的一个简单方法是利用二极管的负温度系数,或晶体管的基极发射极电压,在恒定电流下工作。不幸的是,这项技术需要校准以消除VBE绝对值的影响,VBE的绝对值因设备而异。

ADM1021A中使用的技术是测量在两种不同电流下操作设备时VBE的变化。
这是由以下人员给出的:

其中:K为玻尔兹曼常数,
q是电子的电荷(1.6×10-19库仑),
T是绝对温度,单位为kelvins,
N是两个电流的比值。
图2显示了用于测量外部温度传感器输出的输入信号调节。此图显示了作为衬底晶体管的外部传感器,用于在某些微处理器上进行温度监测,但也可以是分立晶体管。如果使用分立晶体管,则集电极将不接地,并应与底座相连。为了防止接地噪声干扰测量,传感器的更负端不参考接地,而是通过D-输入处的内部二极管偏置在地上。如果传感器在噪声环境中工作,则可以选择添加C1作为噪声滤波器。其值通常为2200 pF,但不应超过3000 pF。有关C1的更多信息,请参阅布局注意事项一节。
为了测量∏VBE,传感器在I和N×I的工作电流之间切换。产生的波形通过65 kHz低通滤波器去除噪声,然后进入斩波稳定放大器,该放大器执行波形的放大和校正功能,以产生与∏VBE成比例的直流电压。此电压由ADC测量,以提供8位双秒补码格式的温度输出。为了进一步降低噪声的影响,通过平均16个测量周期的结果来执行数字滤波。
内部温度传感器的信号调节和测量以类似的方式进行。
ADM1021和ADM1021A之间的差异
尽管ADM1021A是针对针兼容ADM1021,这两个设备有一些不同。
以下是这些差异和变化原因的总结。
1、ADM1021A强制通过遥感温度感应二极管的电流更大,通常为205微安,而不是90微安用于ADM1021。这主要是为了提高零件的抗噪性。
2、由于更大的遥感器源电流,ADM1021A的工作电流高于ADM1021,通常为205毫安而不是160毫安。
3、ADM1021A的温度测量范围为0°C至127°C,而ADM1021的温度测量范围为-128°C至+127°C。因此,如果需要负温度测量,则应使用ADM1021。
4、远程和本地温度值的通电重置值在ADM1021A中为-128°C,而在ADM1021中为0°C。当部件通电转换时(除非部件处于待机模式,即引脚15被拉低),部件将测量远程和本地温度的实际值并将其写入寄存器。
5、修订寄存器的四个msb可用于标识部件。ADM1021修订寄存器读取0xh,ADM1021A读取3xh。
6、地址指针寄存器的开机默认值在ADM1021A中未定义,在ADM1021中等于00h。因此,在ADM1021A中进行读取之前,必须将值写入地址指针寄存器。ADM1021能够在不写入地址指针寄存器的情况下读取本地温度,因为它在通电时默认为本地温度测量寄存器。
7、在ADM1021A上设置掩码位(位7配置寄存器)将屏蔽当前和将来的警报。在ADM1021上,屏蔽位只屏蔽将来的警报。必须使用ARA清除任何当前警报。
温度数据格式
ADC的一个LSB对应于1°C,因此ADC理论上可以测量从-128°C到+127°C的温度,尽管设备不测量低于0°C的温度,因此实际范围为0°C温度数据格式如表I所示。C至127C。
本地和远程温度测量结果存储在本地和远程温度值寄存器中,并与本地和远程高、低限寄存器中编程的限值进行比较。

寄存器
ADM1021A包含九个寄存器,用于存储远程和本地温度测量结果、高温和低温限制,以及配置和控制设备。下面是对这些寄存器的描述,表II至IV给出了进一步的详细信息。应该注意的是,ADM1021A的寄存器是双端口的,具有不同的读写地址。试图写入读地址或从写地址读取将产生无效结果。0Fh以上的寄存器地址保留供将来使用或用于工厂测试,不应写入。
地址指针寄存器
地址指针寄存器本身没有地址,也不需要地址,因为它是每个写操作的第一个数据字节自动写入的寄存器。此数据字节是一个地址指针,它为写入操作的第二个字节或后续读取操作设置另一个寄存器之一。
值寄存器
ADM1021A有两个寄存器,用于存储本地和远程温度测量的结果。这些寄存器由ADC写入,只能通过SMBus读取。
状态寄存器
状态寄存器的位7指示ADC在高电平时正忙于转换。位5到3是指示极限比较结果的标志。
如果本地和/或远程温度测量值高于相应的高温极限或低于相应的低温极限,则将设置这些标志中的一个或多个。位2是在远程温度传感器开路时设置的标志。这五个标志不在一起,因此如果其中任何一个高,警报中断锁存器将被设置,警报输出将变低。如果导致设置标志的错误条件消失,读取状态寄存器将清除五个标志位。当限位比较器由于包含超限测量的值寄存器而跳闸,或传感器开路时,相应的标志位不能复位。只有当对应的值寄存器包含限内测量值或传感器良好时,才能重置标志位。

警报中断锁存器不是通过读取状态寄存器来重置的,而是在读取设备地址的主机为警报输出提供服务时重置,前提是错误条件已经消失,并且状态寄存器标志位已经重置。
配置寄存器
使用配置寄存器的两位。如果位6为0(默认为开机),则设备处于ADC转换的工作模式。如果位6设置为1,则设备处于待机模式,且ADC不转换。待机模式也可以通过将备用引脚设为低电平来选择。在待机模式下,存储在远程和本地温度寄存器中的值保持在部件处于待机状态时的值。
配置寄存器的第7位用于屏蔽警报输出。如果位7为0(默认为开机),则启用警报输出。如果位7设置为1,则警报输出被禁用。

转换率寄存器
该寄存器的最低三位用于通过将ADC时钟除以1、2、4、8、16、32、64或128来编程转换率,以给出从125 ms(代码07h)到16 s(代码00h)的转换时间。此寄存器可以写入SMBus并通过SMBus读取。此寄存器的高位5位未使用,必须设置为零。使用较慢的转换时间大大降低了设备功耗,如表五所示。

极限寄存器
ADM1021A有四个极限寄存器,用于存储本地和远程、高温和低温极限。这些寄存器可以写入SMBus并通过SMBus读取。上限寄存器执行>比较,而下限寄存器执行<比较。例如,如果上限寄存器编程为80°C的极限,则测量81°C将导致报警条件。即使温度测量范围在0到127°C之间,也可以用负值编程限制寄存器。这是为了与ADM1021向后兼容。
一次性寄存器
当ADM1021A处于待机模式时,一次寄存器用于启动一个转换和比较周期,之后设备返回待机状态。这不是数据寄存器本身,而是导致单次转换的写入操作。写入此地址的数据是不相关的,不会被存储。
串行总线接口
ADM1021A的控制通过串行总线执行。在主设备的控制下,ADM1021A作为从设备连接到此总线。请注意,当ADM1021A断电时,SMBus和SCL管脚是三个状态,不会拉低SMBus。
地址管脚
一般来说,每个SMBus设备都有一个7位设备地址(除了一些扩展了10位地址的设备)。当主设备通过总线发送设备地址时,具有该地址的从设备将响应。ADM1021A有两个地址管脚ADD0和ADD1,用于选择设备地址,以便在同一总线上使用多个ADM1021A,和/或避免与其他设备冲突。尽管只提供了两个地址管脚,但这是三种状态,可以接地、保持未连接或绑定到VDD,因此总共可以有九个不同的地址,如表六所示。
需要注意的是,地址管脚的状态只在通电时采样,因此通电后更改地址管脚不会产生任何影响。

串行总线协议的操作如下:
1、主机通过建立STARTcondition来启动数据传输,在串行数据线SDATA上定义为从高到低的转换,而串行时钟线SCLK保持高。这表示地址/数据流将跟随。连接到串行总线的所有从机外围设备响应启动条件并在接下来的8位中移位,包括7位地址(首先是MSB)加上R/W位,R/W位决定数据传输的方向,即数据将被写入还是从机设备读取。
其地址对应于所发送地址的外围设备通过在第九时钟脉冲(称为确认位)之前的低周期中将数据线拉低来响应。总线上的所有其他设备现在都处于空闲状态,而选定的设备则等待从中读取或写入数据。如果R/W位为0,主设备将写入从设备。如果R/W位是1,主设备将从从设备读取。
2、数据通过串行总线以9个时钟脉冲的顺序发送,8位数据后接从设备的确认位。数据线上的跃迁必须发生在时钟信号的低周期内,并且在高周期内保持稳定,因为时钟高时的低到高跃迁可以解释为停止信号。单次读写操作中可通过串行总线传输的数据字节数仅受主设备和从设备所能处理的内容的限制。
3、当读取或写入所有数据字节时,将建立停止条件。在写入模式下,主机将在第10个时钟脉冲期间将数据线拉高以断言停止条件。在读取模式下,主设备将通过在第九时钟脉冲之前的低周期内将数据线拉高来覆盖确认位。这就是所谓的不承认。然后,主机将在第10个时钟脉冲之前的低周期内取低数据线,然后在第10个时钟脉冲期间取高数据线,以断言停止条件。
在一次操作中,可以通过串行总线传输任意数量的数据,但不可能在一次操作中混合读取和写入,因为操作类型是在开始时确定的,并且在不启动新操作的情况下无法随后更改。
对于ADM1021A,写操作包含一个或两个字节,而读操作包含一个字节。
要将数据写入其中一个设备数据寄存器或从中读取数据,必须设置地址指针寄存器,以便对正确的数据寄存器进行寻址,然后才能将数据写入或从中读取。写入操作的第一个字节始终包含存储在地址指针寄存器中的有效地址。如果要将数据写入设备,则写入操作包含写入地址指针寄存器所选寄存器的第二个数据字节。

如图3所示。设备地址通过总线发送,然后R/W设置为0。后面跟着两个数据字节。第一个数据字节是要写入的内部数据寄存器的地址,它存储在地址指针寄存器中。第二个数据字节是要写入内部数据寄存器的数据。
从寄存器读取数据时,有两种可能:
1、如果ADM1021A的地址指针寄存器值未知或不是所需的值,则首先需要将其设置为正确的值,然后才能从所需的数据寄存器读取数据。这是通过像以前一样对ADM1021A执行写操作来完成的,但是只发送包含寄存器读取地址的数据字节,因为数据不会写入寄存器。如图4所示。
然后执行读取操作,包括串行总线地址,R/W位设置为1,然后从数据寄存器读取数据字节。如图5所示。
2、如果已知地址指针寄存器已经位于所需地址,则可以从相应的数据寄存器读取数据,而无需首先写入地址指针寄存器,因此可以省略图4。
笔记
1、尽管可以在不首先写入地址指针寄存器的情况下从数据寄存器读取数据字节,但如果地址指针寄存器已经处于正确的值,则不可能在不写入地址指针寄存器的情况下将数据写入寄存器,因为写入的第一个数据字节总是写入地址指针寄存器。
2、记住,ADM1021A寄存器有不同的读写地址。如果要将数据写入寄存器,则必须将寄存器的写入地址写入地址指针,但无法从该地址读取数据。寄存器的读取地址必须写入地址指针,然后才能从该寄存器读取数据。
警报输出
每当检测到超出极限的测量值或如果远程温度传感器开路时,警报输出将变低。这是一个开放的排水管,需要10 kΩ的上拉至VDD。几个警报输出可以连接在一起,这样,如果一个或多个警报输出变低,公共线路将变低。
警报输出可以用作处理器的中断信号,也可以用作SMBALERT。SMBus上的从属设备通常不能向主设备发送他们想要交谈的信号,但是SMBALERT功能允许他们这样做。
一个或多个警报输出连接到SMBALERT公司连接到主机的线路。当其中一个设备拉低SMBALERT行时,会发生以下过程,如图6所示。

1、SMBALERT被拉低。
2、主机启动读取操作并发送警报响应地址(ARA=0001 100)。这是一个不能用作特定设备地址的常规呼叫地址。
3、警报输出低的设备响应警报响应地址,主机读取其设备地址。设备的地址现在是已知的,可以用通常的方式进行查询。
4、如果多个设备的警报输出较低,则根据正常的SMBus仲裁,具有最低设备地址的设备将具有优先级。
5、一旦ADM1021A响应警报响应地址,它将重置其警报输出,前提是导致警报的错误条件不再存在。如果SMBALERT行保持低位,主机将再次发送ARA,依此类推,直到警报输出为低位的所有设备都响应。
低功耗待机模式
ADM1021A可以使用硬件或软件进入低功耗待机模式,即通过将STBY输入设为低,或通过设置配置寄存器的位6。当STBY高或位6低时,ADM1021A正常工作。当STBY被拉低或位6被拉高时,ADC被抑制,因此任何正在进行的转换都将终止,而不将结果写入相应的值寄存器。
SMBus仍处于启用状态。如果没有SMBus活动,待机模式下的功耗将降低到小于10微安;如果总线上有时钟和数据信号,则功耗将降低到100微安。
这两种模式相似但不完全相同。当STBY低时,转换被完全禁止。当设置了位6但STBY为高时,可以通过将XXh写入单点寄存器(地址0Fh)来启动两个信道的单点转换。
传感器故障检测
ADM1021A在D+输入端有一个故障检测器,用于检测外部传感器二极管是否断路。这是一个简单的电压比较器,如果D+电压超过VCC–1V(典型值),就会跳闸。启动转换时检查比较器的输出,如果检测到故障,则设置状态寄存器的位2。
如果遥感器电压低于正常测量范围,例如由于二极管短路,ADC将输出-128°C(1000 0000)。由于设备的正常工作温度范围仅延伸至0°C,因此在正常操作中永远看不到该输出代码,因此可以将其解释为故障状态。
在这方面,ADM1021A不同于并改进了竞争设备,如果外部传感器短路,则输出为零。这些设备可能会将真正的0°C测量值误解为故障状态。
如果外部二极管通道未使用且短路,则可通过向下限寄存器写入80h(–128°C)来清除产生的警报。
应用程序信息
影响遥感二极管精度的因素
ADM1021A设计用于处理器中内置的衬底晶体管或离散晶体管。衬底晶体管通常为PNP型,集电极连接到衬底上。离散型可以是PNP或NPN,作为二极管连接(基极对集电极短路)。如果使用NPN晶体管,集电极和基极连接到D+,发射极连接到D-。如果使用PNP晶体管,则集电极和基极连接到D-而发射极连接到D+。
对于衬底晶体管,用户没有选择,但是如果使用分立晶体管,则通过根据以下标准选择器件将获得最佳精度:
1、在最高工作温度下,6微安时的基极发射极电压大于0.25 V。
2、在最低工作温度下,基极发射极电压在100微安时小于0.95伏。
3、基极电阻小于100Ω。
4、hFE的微小变化(比如50到150),表明对VBE特性的严格控制。
诸如2N3904、2N3906或SOT-23封装中的等效晶体管是适合使用的器件。
热惯性与自加热
精度取决于遥感二极管和/或内部温度传感器的温度与被测温度相同,许多因素会影响这一点。理想情况下,传感器应与被测系统部件(例如处理器)保持良好的热接触。否则,由传感器质量引起的热惯性将导致传感器对温度变化的响应滞后。在遥感器的情况下,这不应该是一个问题,因为它将是一个衬底晶体管在处理器或小封装设备,如SOT-23放置在它附近。
然而,片上传感器通常远离处理器,只监测封装周围的一般环境温度。QSOP-16封装的热时间常数约为10秒。
实际上,封装将与印刷电路板进行电气连接,从而实现热连接,因此自加热引起的温升可以忽略不计。
布局注意事项
数字电路板可能是电噪声环境,而且由于ADM1021A测量的是来自遥感器的非常小的电压,因此必须注意尽量减少传感器输入端产生的噪声。应采取以下预防措施:
1、将ADM1021A尽可能靠近遥感二极管。如果避免了最坏的噪声源,如时钟发生器、数据/地址总线和CRT,则此距离可以为4到8英寸。
2、将D+和D-轨道平行布置在一起,每侧都有接地的防护轨道。如有可能,在轨道下方提供一个接地平面。
3、使用宽的轨道,以尽量减少电感和减少噪音的拾取。建议轨道最小宽度和间距为10 mil。
4、尽量减少可能导致热电偶效应的铜/焊点数量。在使用铜/焊点的地方,确保它们位于D+和D-路径中且处于相同的温度。
热电偶效应不应是一个主要问题,因为1°C对应约240微伏,热电偶电压约为3微伏/摄氏度的温差。除非有两个温差较大的热电偶,否则热电偶电压应远小于240微伏。
5、将0.1μF旁路电容器放置在靠近VDD引脚的位置,并将2200 pF输入滤波器电容器放置在靠近ADM1021A。

6、如果到遥感器的距离超过8英寸,建议使用双绞线。这将工作到约6至12英尺。
7、对于非常长的距离(高达100英尺),请使用屏蔽双绞线,如Belden 8451话筒电缆。将双绞线连接到D+和D-上,将屏蔽连接到靠近ADM1021A的GND上。保持屏蔽的远端未连接以避免接地回路。
由于测量技术使用开关电流源,过大的电缆和/或滤波器电容会影响测量。当使用长电缆时,可以减少或移除滤波电容器。
电缆电阻也会引入误差。1Ω串联电阻引入约1°C的误差。
应用电路
图8显示了ADM1021A的典型应用电路,使用通过屏蔽双绞线连接的离散传感器晶体管。仅当SCLK、SDATA和ALERT上的上拉功能尚未在系统中的其他位置提供时,才需要它们。
ADM1021A的SCLK和SDATA引脚可以直接连接到I/O芯片的SMBus。图9显示了如何使用这种类型的I/O控制器将ADM1021A集成到系统中。

外形尺寸
16导热缩小外形封装[QSOP](RQ-16)
尺寸单位为英寸



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