如何设计一个具有高电磁兼容性(EMC)性能的精密温度测量系统?

原创 亚德诺半导体 2021-11-05 17:28

本文将讨论精密温度测量系统的设计考虑因素,以及如何在保持测量精度的同时提高系统的EMC性能。我们将以RTD温度测量为例介绍测试结果和数据分析,以便我们能够轻松地从概念开发出原型和产品并走向市场。




精密温度测量和EMC挑战



温度测量是模拟领域中最常用的一项检测技术。许多测量技术可用来检测环境温度。热敏电阻是一种小尺寸且简单的2线制方案,具有快速响应时间,但其非线性和有限的温度范围限制了其精度和应用。RTD是最稳定、最精确的温度测量方法。RTD设计的难点在于需要外部激励、复杂电路和校准。没有温度测量系统开发经验的工程师可能会气馁。热电偶(TC)可以提供坚固耐用、便宜、不同测量范围的解决方案,但完整的热电偶测温系统需要冷端补偿(CJC)。与热敏电阻、TC和RTD相比,新型的数字温度传感器可以直接通过数字接口提供校准的温度数据。精密温度测量需要高精度温度传感器和精密信号链来构成一个温度测量系统。TC、RTD和数字温度传感器的精度最高。精密信号链器件是可以获得的,可用来收集这些传感器信号并将其转换为绝对温度。在工业领域,达到0.1°C的精度是我们的目标。这种精度测量不包括传感器误差。表1比较了不同类型的温度传感器。


表1. 不同类型温度传感器的比较


创建数字温度测量系统时,特别是针对工业和铁路等恶劣环境中的应用时,不仅要关注精度和设计难度,EMC性能也是保持系统稳定的关键特性。系统需要额外的电路和分立器件以提高EMC性能。但是,更多的保护器件意味着更多的误差源。因此,设计具有高检测精度和高EMC性能的温度测量系统是非常具有挑战性的。温度测量系统的EMC性能决定其能否在指定的电磁环境中正常工作。


ADI公司提供各种温度测量解决方案,例如精密模数转换器(ADC)、模拟前端(AFE)、IC温度传感器等。ADI AFE解决方案提供多传感器高精度数字温度测量系统,支持直接TC测量、直接RTD测量、直接热敏电阻测量和定制传感器应用。当增加EMC保护器件时, 一些特殊配置可以帮助保持高测量精度。图1显示了经典比率式温度测量电路和计算公式。


图 1. 经典比率式温度测量电路和计算公式


以下部分介绍了温度检测解决方案,以便系统设计人员能够实现出色的EMC性能。


RTD温度测量解决方案



以 LTC2983 温度测量AFE为例。系统控制器可以通过SPI接口直接从LTC2983读取校准的温度数据,精度为0.1°C,分辨率为0.001°C。连接4线RTD时,激励电流旋转功能可以自动消除热电偶的寄生效应,并降低信号电路漏电流的影响。基于这些特性,LTC2983可以加速多通道精密温度测量系统的设计,实现高EMC性能而无需复杂的电路设计,让您和您的客户更有信心。图2显示了EMC保护的LTC2983温度测量系统框图。


图 2. EMC 保护的 LTC2983 温度测量系统


RTD无疑是高精度温度测量的出色选择,可以测量-200°C至+800°C范围内的温度。100Ω和1000Ω铂RTD最常见,但也可以由镍或铜制成。


最简单的RTD温度测量系统是2线配置,但引线电阻会引入额外的系统温度误差。将两个匹配的电流源施加到RTD(引线电阻应相等),3线配置便可消除引线电阻误差。利用高阻抗开尔文检测直接测量传感器,开尔文配置或4线配置便可消除平衡或不平衡的引线电阻。然而,成本将是4线配置的主要障碍,因为其需要更多电缆,特别是针对远距离温度测量。图3显示了不同的RTD接线配置。考虑到实际的客户用例,本文选择了3线RTD配置并测试其EMC性能。


图 3. 不同 RTD 接线配置:(a) 2 线,(b) 3 线,(c) 4 线


2线和3线RTD传感器还可以在PCB上使用开尔文配置。当需要将限流电阻和RC滤波器添加到信号链路以保护器件的模拟输入引脚时,这些额外的电阻会引入很大的系统失调。例如,用4线开尔文配置取代2线保护电路可以帮助消除该失调,因为激励电流不会流过这些限流电阻和RC滤波器,保护电阻引起的误差可以忽略不计(参见图4)。欲了解更多信息,请参阅 LTC2986数据手册。


图 4. 4 线配置消除额外的电阻误差


温度测量系统的稳健性挑战



与大多数温度测量IC一样,LTC2983可以耐受2 kV HBM ESD电平。但在工业自动化、铁路和其他苛刻电磁环境中,电子器件需要面对更高的干扰电平和更复杂的EMC事件,例如静电放电(ESD)、电快速瞬变(EFT)、辐射敏感性(RS)、传导敏感性(CS)和浪涌等。

为了降低下游设备遭到损坏的风险并提高系统的鲁棒性,额外的分立保护器件是必要的。

EMC事件的三要素是噪声源、耦合路径和接收器。如图5所示,在该温度测量系统中,噪声源来自周围环境。耦合路径是传感器电缆,LTC2983是接收器。工业自动化和铁路应用总是使用长传感器电缆来检测远程器件的温度。传感器电缆的长度可以是数米甚至数十米。较长的电缆导致耦合路径更大,温度测量系统面临更严重的EMI挑战。


图 5. 温度测量系统的 EMI 事件的三要素


采用TVS的系统级保护解决方案



瞬变电压抑制器(TVS)和限流电阻是最常见的保护器件。选择合适的TVS和限流电阻不仅可以提高系统稳健性,还能保持系统的高测量性能。表2显示了TVS器件的主要参数,包括工作峰值反向电压、击穿电压、最大箝位电压和最大反向漏电流。工作峰值反向电压必须高于最大传感器信号,以确保系统正常工作。击穿电压不应比信号电压高很多,以避免产生很宽的无保护电压范围。最大箝位电压决定TVS可以抑制的最大干扰信号电压。反向漏电流会对系统贡献很大的测量误差,因此应选择反向漏电流尽可能小的TVS。

表2. TVS主要参数

正常工作条件下,TVS器件表现出很高的对地阻抗。将一个大于TVS击穿电压的瞬变电压施加于系统输入端时,一旦TVS被击穿,输入端电压就会被箝位并提供低阻抗接地路径,将瞬变电流从输入端转移到地。

图2所示为3线PT-1000保护电路。3线PT-1000通过三个相邻通道连接到LTC2983,其受到SMAJ5.0A TVS和100Ω限流电阻的保护。限流电阻和下游电容形成低通滤波器,以尽可能多地消除输入线路中的RF成分,使每条线路和地之间的交流信号保持平衡,并在测量带宽上维持足够高的输入阻抗以避免加载信号源。差分模式滤波器的-3 dB带宽为7.9 kHz,共模滤波器的-3 dB带宽为1.6 MHz。

该温度测量系统依据IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-3、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5和IEC 61000-4-6标准进行了测试。在这些测试下,系统必须正常工作并提供精确的温度测量。被测传感器是B类3线PT-1000,其使用约10 m长的屏蔽线。

表3列出了IEC 61000-4-x抗扰度测试项目、测试电平和系统受EMI事件干扰时的温度波动。图6显示了测试时的输出温度数据曲线,其对应于表3中的最大温度波动。


表3. EMI测试结果


增加保护后的温度测量精度



TVS和限流电阻有助于保护温度测量系统不受EMC影响。箝位电压越低的TVS,越能保护敏感电路。但反过来,它们可能产生系统误差。为了应对这种情况,我们必须使用具有更高击穿电压的TVS,因为更高的击穿电压意味着在正常工作电压下漏电流更少。TVS漏电流越低,则给系统增加的误差越小。

图 6. 测试时的输出温度数据曲线

表4. Littelfuse SMAJ5.0A TVS的电气特性

考虑这些因素,我们使用了一个Littelfuse SMAJ5.0A TVS(可以在大多数电子元器件经销商那里买到)和一个精度为±0.1%的100Ω限流电阻来保护系统,避免引入任何显著的测量误差。

为了实现高测量精度,我们使用精密电阻矩阵来替换PT-1000传感器并模拟温度变化。该精密电阻矩阵已利用Keysight Technologies 3458A万用表进行了校准。

为了减轻消除匹配引线电阻误差的困难,我们使用线配置来评估系统的精度性能。这更有利于消除传感器误差。

为了更准确地计算系统误差,我们需要使用与LTC2983相同的标准将电阻值转换为温度。传感器制造商发布的温度查找表是最准确的转换方法。但是,将每个温度点写入处理器的存储器中是不明智的。因此,我们使用以下公式来计算温度结果。

当T > 0°C时,公式为:


计算对应于电阻值的温度:


当T ≤ 0°C时,公式为:


温度通过多项式拟合得到:


其中:
T为RTD温度(°C)。
RRTD(T)为RTD电阻(Ω)。
R0 为RTD在0°C时的电阻(R0 = 1000 Ω)。
A = 3.9083 × 10–3
B = –5.775 × 10–7
C = –4.183 × 10–12

图7显示,在-134°C至+607°C的温度范围内,总系统误差不超过±0.4°C。与图9(显示了LTC2983对RTD温度测量的误差贡献)相比,附加保护器件增加了大约±0.3°C的系统误差,尤其是TVS漏电流。可以看到,随着温度升高,系统误差增加。这就涉及到TVS的I-V曲线特性。

系统误差可计算如下


其中:
Terror 为LTC2983温度测量系统的总输出误差(°C)。
Tcal 为利用精密电阻计算的温度(°C),已利用Keysight Technologies 3458A进行校准。
TLTC2983 是LTC2983输出温度(°C)。

图8说明,系统总峰峰值噪声不超过±0.01°C,此结果符合数据手册规格。

图 7. 系统误差与温度的关系

图 8. 系统峰峰值噪声与温度的关系

图 9. LTC2983 对 RTD 温度测量的误差贡献

10. 激励电流旋转配置:(a) 正向激励流,(b) 反向激励流

TVS误差贡献和优化配置



TVS的I-V曲线特性可以从器件的数据手册中找到。然而,大多数TVS制造商仅提供器件参数的典型值,而不是计算TVS在特定电压下的误差贡献(尤其是漏电流误差)所需的全部I-V数据。

本应用中使用Littelfuse SMAJ5.0A TVS。测试一些样品之后,我们发现漏电流在1 V反向电压约为1μA,远小于TVS数据手册给出的最大反向漏电流。这种漏电流会产生重大系统误差。但是,如果使能LTC2983的激励电流旋转,则会大大减少漏电流误差效应。图10显示了激励电流旋转配置和TVS漏电流流动。

当Rsense与流过RTD的激励电流相同时,RTD的电阻RT可以表示为:


当对正向激励流使用激励电流旋转配置时(如图10(a)所示),RTD电阻RRTD1计算如下:




其中:
Rsense 为检测电阻的实际电阻值
RRTD 为测量周期中RTD的实际电阻值
Vsense1 为检测电阻处的实测电压值
VRTD1 为正向激励流周期中RTD的实测电压值,如图10(a)所示。
RRTD1 为正向激励流周期中RTD的计算值

当对反向激励流使用激励电流旋转配置时(如图10(b)所示),RTD电阻RRTD2计算如下:




其中:
Vsense2 为检测电阻的实测电压值。
VRTD2 为反向激励流周期中RTD的实测电压值,如所示图10(b)所示。
RRTD2 为反向激励流周期中RTD的计算值

根据TVS测量数据,在2 V反向电压下,最大漏电流和最小漏电流之差平均约为10%。四个TVS的位置和匹配程度可能会引起相当大的系统误差。为了显示误差最大的情况,我们可以假设ITVS为平均漏电流, ITVS1 = ITVS2 = 0.9 × ITVS,而 ITVS3 = ITVS4 = 1.1 × ITVS




如果不使用激励电流旋转配置,RRTD1或RRTD2将包括最大TVS误差贡献。

为误差因子。
使用激励电流旋转配置时,最终计算结果为:





当Error(RRTDROT) = min {Error(RRTD1), Error(RRTD2)}时,Error (RRTDROT)将等于Error (RRTD1), 或者Error(RRTDROT)将等于Error(RRTD2)。根据公式13至公式18,当Iexc = 6 × ITVS,Error (RRTDROT)将等于min {Error(RRTD1), Error(RRTD2)}。当Iexc = 6 × ITVS时,由于TVS漏电流,系统的精度将会降低16.7%。


根据配置和测试结果,Iexc > 6 × ITVS,因此

通常,Iexc > 100 × ITVS。图11显示了系统误差,其中:
RRTDROT为采用激励电流旋转时的最终RTD电阻计算结果。
Error(RRTDROT) 在使用激励电流旋转配置时的TVS误差贡献,单位为°C。
Error(RRTD1) 和 Error(RRTD2) 是不使用旋转配置时的TVS误差贡献,单位为°C。

上面的推导告诉我们,激励电流旋转配置可以减少TVS漏电流的误差贡献。以下测试结果证实了我们的断言。

图11显示了不同激励电流模式和TVS配置的系统误差。如图所示,当不使用TVS时,旋转和非旋转配置的系统精度大致相同。然而,使能激励电流旋转会自动消除寄生热电偶效应,对此的更详细说明请参阅 LTC2983数据手册。使用TVS保护系统时,总系统误差会增加。但是,激励电流旋转配置可以显著降低TVS漏电流的误差影响,从而有助于在大部分温度测量范围内实现与非TVS保护系统类似的精度水平。与没有TVS的系统相比,额外的误差是由TVS器件间差异贡献的。


图 11. 系统误差与不同硬件和软件配置的关系

结论



温度测量系统设计常被认为不是艰巨的任务。然而,对于大多数系统设计人员而言,开发高度精确且稳健的温度测量系统是一个挑战。LTC2983智能数字温度传感器可以帮助战胜这一挑战,开发出可以快速推向市场的产品。

  • 这种受保护的LTC2983温度测量系统具有±0.4°C的系统精度。测量误差包括LTC2983误差、TVS⁄限流电阻误差和PCB误差贡献。
  • LTC2983旋转激励电流配置可以显著减少保护器件的漏电流误差效应。
  • LTC2983温度测量系统可以在常见保护器件的加持下提供高EMC性能。有关EMI测试结果,请参阅表3。

本文给出了某些特定配置的精度和EMC性能测试结果。您可以选择不同的TVS器件和限流电阻来获得不同的测量精度和EMC性能,以满足您的生产需求。


爆款TWS耳机如何炼成?
你留“❤”,我送礼
▽▽▽
小编将从视频的点赞粉丝中随机抽取5位幸运儿送出ADI幸运小奖品
查看往期内容↓↓↓
亚德诺半导体 Analog Devices, Inc.(简称ADI)始终致力于设计与制造先进的半导体产品和优秀解决方案,凭借杰出的传感、测量和连接技术,搭建连接真实世界和数字世界的智能化桥梁,从而帮助客户重新认识周围的世界。
评论
  • 临近春节,各方社交及应酬也变得多起来了,甚至一月份就排满了各式约见。有的是关系好的专业朋友的周末“恳谈会”,基本是关于2025年经济预判的话题,以及如何稳定工作等话题;但更多的预约是来自几个客户老板及副总裁们的见面,他们为今年的经济预判与企业发展焦虑而来。在聊天过程中,我发现今年的聊天有个很有意思的“点”,挺多人尤其关心我到底是怎么成长成现在的多领域风格的,还能掌握一些经济趋势的分析能力,到底学过哪些专业、在企业管过哪些具体事情?单单就这个一个月内,我就重复了数次“为什么”,再辅以我上次写的:《
    牛言喵语 2025-01-22 17:10 175浏览
  •  万万没想到!科幻电影中的人形机器人,正在一步步走进我们人类的日常生活中来了。1月17日,乐聚将第100台全尺寸人形机器人交付北汽越野车,再次吹响了人形机器人疯狂进厂打工的号角。无独有尔,银河通用机器人作为一家成立不到两年时间的创业公司,在短短一年多时间内推出革命性的第一代产品Galbot G1,这是一款轮式、双臂、身体可折叠的人形机器人,得到了美团战投、经纬创投、IDG资本等众多投资方的认可。作为一家成立仅仅只有两年多时间的企业,智元机器人也把机器人从梦想带进了现实。2024年8月1
    刘旷 2025-01-21 11:15 658浏览
  • 数字隔离芯片是一种实现电气隔离功能的集成电路,在工业自动化、汽车电子、光伏储能与电力通信等领域的电气系统中发挥着至关重要的作用。其不仅可令高、低压系统之间相互独立,提高低压系统的抗干扰能力,同时还可确保高、低压系统之间的安全交互,使系统稳定工作,并避免操作者遭受来自高压系统的电击伤害。典型数字隔离芯片的简化原理图值得一提的是,数字隔离芯片历经多年发展,其应用范围已十分广泛,凡涉及到在高、低压系统之间进行信号传输的场景中基本都需要应用到此种芯片。那么,电气工程师在进行电路设计时到底该如何评估选择一
    华普微HOPERF 2025-01-20 16:50 122浏览
  • 嘿,咱来聊聊RISC-V MCU技术哈。 这RISC-V MCU技术呢,简单来说就是基于一个叫RISC-V的指令集架构做出的微控制器技术。RISC-V这个啊,2010年的时候,是加州大学伯克利分校的研究团队弄出来的,目的就是想搞个新的、开放的指令集架构,能跟上现代计算的需要。到了2015年,专门成立了个RISC-V基金会,让这个架构更标准,也更好地推广开了。这几年啊,这个RISC-V的生态系统发展得可快了,好多公司和机构都加入了RISC-V International,还推出了不少RISC-V
    丙丁先生 2025-01-21 12:10 595浏览
  • 现在为止,我们已经完成了Purple Pi OH主板的串口调试和部分配件的连接,接下来,让我们趁热打铁,完成剩余配件的连接!注:配件连接前请断开主板所有供电,避免敏感电路损坏!1.1 耳机接口主板有一路OTMP 标准四节耳机座J6,具备进行音频输出及录音功能,接入耳机后声音将优先从耳机输出,如下图所示:1.21.2 相机接口MIPI CSI 接口如上图所示,支持OV5648 和OV8858 摄像头模组。接入摄像头模组后,使用系统相机软件打开相机拍照和录像,如下图所示:1.3 以太网接口主板有一路
    Industio_触觉智能 2025-01-20 11:04 194浏览
  • 故障现象 一辆2007款日产天籁车,搭载VQ23发动机(气缸编号如图1所示,点火顺序为1-2-3-4-5-6),累计行驶里程约为21万km。车主反映,该车起步加速时偶尔抖动,且行驶中加速无力。 图1 VQ23发动机的气缸编号 故障诊断接车后试车,发动机怠速运转平稳,但只要换挡起步,稍微踩下一点加速踏板,就能感觉到车身明显抖动。用故障检测仪检测,发动机控制模块(ECM)无故障代码存储,且无失火数据流。用虹科Pico汽车示波器测量气缸1点火信号(COP点火信号)和曲轴位置传感器信
    虹科Pico汽车示波器 2025-01-23 10:46 74浏览
  • Ubuntu20.04默认情况下为root账号自动登录,本文介绍如何取消root账号自动登录,改为通过输入账号密码登录,使用触觉智能EVB3568鸿蒙开发板演示,搭载瑞芯微RK3568,四核A55处理器,主频2.0Ghz,1T算力NPU;支持OpenHarmony5.0及Linux、Android等操作系统,接口丰富,开发评估快人一步!添加新账号1、使用adduser命令来添加新用户,用户名以industio为例,系统会提示设置密码以及其他信息,您可以根据需要填写或跳过,命令如下:root@id
    Industio_触觉智能 2025-01-17 14:14 145浏览
  • 2024年是很平淡的一年,能保住饭碗就是万幸了,公司业绩不好,跳槽又不敢跳,还有一个原因就是老板对我们这些员工还是很好的,碍于人情也不能在公司困难时去雪上加霜。在工作其间遇到的大问题没有,小问题还是有不少,这里就举一两个来说一下。第一个就是,先看下下面的这个封装,你能猜出它的引脚间距是多少吗?这种排线座比较常规的是0.6mm间距(即排线是0.3mm间距)的,而这个规格也是我们用得最多的,所以我们按惯性思维来看的话,就会认为这个座子就是0.6mm间距的,这样往往就不会去细看规格书了,所以这次的运气
    wuliangu 2025-01-21 00:15 321浏览
  •     IPC-2581是基于ODB++标准、结合PCB行业特点而指定的PCB加工文件规范。    IPC-2581旨在替代CAM350格式,成为PCB加工行业的新的工业规范。    有一些免费软件,可以查看(不可修改)IPC-2581数据文件。这些软件典型用途是工艺校核。    1. Vu2581        出品:Downstream     
    电子知识打边炉 2025-01-22 11:12 134浏览
  • 高速先生成员--黄刚这不马上就要过年了嘛,高速先生就不打算给大家上难度了,整一篇简单但很实用的文章给大伙瞧瞧好了。相信这个标题一出来,尤其对于PCB设计工程师来说,心就立马凉了半截。他们辛辛苦苦进行PCB的过孔设计,高速先生居然说设计多大的过孔他们不关心!另外估计这时候就跳出很多“挑刺”的粉丝了哈,因为翻看很多以往的文章,高速先生都表达了过孔孔径对高速性能的影响是很大的哦!咋滴,今天居然说孔径不关心了?别,别急哈,听高速先生在这篇文章中娓娓道来。首先还是要对各位设计工程师的设计表示肯定,毕竟像我
    一博科技 2025-01-21 16:17 159浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦