ON Semiconductor ADM1023：高精度微處理器系統(tǒng)溫度監(jiān)測器的卓越之選

在電子設(shè)備的設(shè)計中，溫度監(jiān)測是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。ON Semiconductor推出的ADM1023作為一款ACPI兼容的高精度微處理器系統(tǒng)溫度監(jiān)測器，為我們提供了出色的解決方案。今天，就讓我們深入了解一下這款產(chǎn)品。

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一、產(chǎn)品概述

ADM1023是ADM1021的下一代升級版，具有諸多強大的特性。它具備片上和遠程溫度傳感功能，擁有用于系統(tǒng)校準(zhǔn)的偏移寄存器。在本地通道上，它能實現(xiàn)1°C的精度和分辨率；在遠程通道上，分辨率可達0.125°C，精度為1°C。同時，它還支持可編程的過/欠溫度限制和轉(zhuǎn)換速率，以及系統(tǒng)管理總線（SMBus）ALERT功能，采用2線SMBus串行接口，功耗低，工作電流最大為200 μA（0.25次轉(zhuǎn)換/秒），待機電流僅1 μA，供電范圍為3 V至5.5 V，采用小巧的16引腳QSOP封裝。

其應(yīng)用場景廣泛，涵蓋了臺式計算機、筆記本電腦、智能電池、工業(yè)控制器、電信設(shè)備和儀器儀表等領(lǐng)域。

二、技術(shù)規(guī)格

（一）電氣參數(shù)

在供電和ADC方面，本地傳感器溫度分辨率為1°C，遠程傳感器溫度分辨率為0.125°C。本地傳感器在不同溫度范圍下的溫度誤差有所不同，TA = 60°C至100°C時，誤差為±0.5°C；TA = 0°C至120°C時，誤差為±3°C。遠程傳感器在TA, TD = 60°C至100°C時，誤差為±1°C；TA, TD = 0°C至120°C時，誤差為±3°C。相對精度在TA = 60°C至100°C時為0.25°C。

供電電壓范圍為3 V至3.6 V，欠壓鎖定閾值為2.55 V至2.8 V，欠壓鎖定遲滯為25 mV，上電復(fù)位閾值為0.9 V至2.2 V，POR閾值遲滯為50 mV。

（二）絕對最大額定值

正電源電壓（Voo）到GND的范圍是 -0.3V至 +6V，D+、ADD0、ADD1的范圍是 -0.3 V至VDD + 0.3V，D - 到GND的范圍是 -0.3 V至 +0.6V，SCLK、SDATA、ALERT、STBY的范圍是 -0.3V至 +6V。輸入電流最大為±50 mA，D - 的輸入電流最大為±1 mA。所有引腳的ESD額定值（人體模型）為2000V。

（三）熱特性

16引腳QSOP封裝的熱阻參數(shù)為：(theta{JA}=105^{circ} C / W)，(theta{IC}=39^{circ} C / W)。

三、引腳配置與功能

（一）引腳配置

ADM1023采用16引腳QSOP封裝，各引腳具有不同的功能。例如，VDD為正電源引腳，范圍為3 V至5.5 V；D+為遠程溫度傳感器的正連接引腳，D - 為負(fù)連接引腳；ADD0和ADD1為三態(tài)邏輯輸入引腳，用于選擇設(shè)備地址；ALERT為開漏邏輯輸出引腳，可作為中斷或SMBus ALERT使用；STBY為邏輯輸入引腳，用于選擇正常操作（高電平）或待機模式（低電平）。

（二）功能描述

該設(shè)備包含一個雙通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），通過特殊的輸入信號調(diào)理，能夠與遠程和片上二極管溫度傳感器配合工作。正常運行時，ADC以自由運行模式工作，模擬輸入多路復(fù)用器會交替選擇片上溫度傳感器測量本地溫度或遠程溫度傳感器。測量結(jié)果會存儲在本地和遠程溫度值寄存器中。

為了消除遠程通道測量中的誤差，提供了兩個偏移寄存器（Address 0x11和Address 0x12）。測量結(jié)果會與存儲在片上六個極限寄存器中的本地和遠程高低溫度限制進行比較，超出限制的比較結(jié)果會產(chǎn)生標(biāo)志并存儲在狀態(tài)寄存器中，一個或多個超出限制的結(jié)果會使ALERT輸出拉低。

四、工作原理

（一）測量方法

ADM1023利用二極管或晶體管基極發(fā)射極電壓的負(fù)溫度系數(shù)來測量溫度。它通過在兩種不同的集電極電流下操作設(shè)備，測量VBE的變化來獲取溫度，公式為(Delta V{B E}=frac{n K T}{q} × ln (N))。測量得到的波形會經(jīng)過低通濾波器去除噪聲，再通過斬波穩(wěn)定放大器進行放大和整流，產(chǎn)生與(Delta V{BE})成比例的直流電壓，最后由ADC測量并以二進制格式輸出溫度。為了進一步減少噪聲影響，會對16個測量周期的結(jié)果進行平均。

（二）誤差來源

在熱晶體管測量方法中，理想因子（n）和β值會對測量結(jié)果產(chǎn)生影響。對于采用亞微米工藝的熱晶體管，如奔騰III處理器上的襯底PNP晶體管，n值的變化會導(dǎo)致溫度誤差。ADM1023在計算溫度時會考慮理想因子，當(dāng)n值偏離典型值1.008時，會產(chǎn)生溫度誤差。β值的變化小于1%時，對溫度誤差的貢獻小于0.4°C。

五、寄存器功能

ADM1023包含多個寄存器，用于存儲遠程和本地溫度測量結(jié)果、高低溫度限制，以及配置和控制設(shè)備。

（一）地址指針寄存器

它是每次寫操作的第一個數(shù)據(jù)字節(jié)自動寫入的寄存器，用于設(shè)置其他寄存器，以便進行后續(xù)的寫操作或讀操作。

（二）值寄存器

有三個寄存器用于存儲本地和遠程溫度測量結(jié)果，由ADC寫入，只能通過SMBus讀取。

（三）偏移寄存器

位于Address 0x11和Address 0x12，用于消除遠程溫度測量值中的誤差，可接受 -128.875°C至 +127.875°C的值。

（四）狀態(tài)寄存器

其第7位表示ADC是否正在轉(zhuǎn)換，第6至3位為極限比較結(jié)果的標(biāo)志位，第2位表示遠程傳感器是否開路。這些標(biāo)志位在狀態(tài)寄存器被讀取或通過POR復(fù)位時會被清除。

（五）配置寄存器

第6位用于選擇設(shè)備的運行模式（運行或待機），第7位用于屏蔽或啟用ALERT輸出。

（六）轉(zhuǎn)換速率寄存器

最低三位用于編程轉(zhuǎn)換速率，通過將ADC時鐘除以1、2、4、8、16、32、64或128來實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)換時間，從而大大降低設(shè)備的功耗。

（七）極限寄存器

有六個極限寄存器用于存儲本地和遠程的高低溫度限制，可通過SMBus進行讀寫操作。

（八）單觸發(fā)寄存器

用于在ADM1023處于待機模式時啟動單次轉(zhuǎn)換和比較周期，之后設(shè)備返回待機狀態(tài)。

六、串行總線接口

ADM1023通過串行總線進行控制，作為從設(shè)備連接到總線上，由主設(shè)備控制。其SMBus SDA和SCLK引腳在設(shè)備掉電時為三態(tài)，不會拉低SMBus。

設(shè)備有兩個地址引腳ADD0和ADD1，通過不同的狀態(tài)組合可以選擇九個不同的設(shè)備地址，以避免與其他設(shè)備沖突。地址引腳的狀態(tài)僅在上電時采樣，上電后更改無效。

數(shù)據(jù)傳輸通過串行總線進行，主設(shè)備通過建立起始條件發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)以九個時鐘脈沖為一組進行發(fā)送，包括8位數(shù)據(jù)和1位確認(rèn)位。讀寫操作有不同的流程，寫操作包含一或兩個字節(jié)，讀操作包含一個字節(jié)。

七、ALERT輸出

ALERT輸出在檢測到超出限制的測量結(jié)果或遠程溫度傳感器開路時會拉低，它是開漏輸出，需要一個10 kΩ的上拉電阻連接到VDD。多個ALERT輸出可以進行線與連接，當(dāng)其中一個或多個輸出拉低時，公共線會拉低。

ALERT輸出可以作為處理器的中斷信號，也可以作為SMBALERT使用。當(dāng)SMBALERT線被拉低時，主設(shè)備會發(fā)起讀取操作，發(fā)送警報響應(yīng)地址（ARA），響應(yīng)的設(shè)備會返回其設(shè)備地址，之后主設(shè)備可以對其進行詢問。

八、低功耗待機模式

ADM1023可以通過硬件（將STBY輸入拉低）或軟件（設(shè)置配置寄存器的第6位）進入低功耗待機模式。在待機模式下，ADC被禁止，任何正在進行的轉(zhuǎn)換會終止，且不會將結(jié)果寫入相應(yīng)的值寄存器，SMBus仍然啟用。

當(dāng)STBY為低電平時，轉(zhuǎn)換完全被禁止；當(dāng)?shù)?位被設(shè)置，但STBY為高電平時，可以通過向單觸發(fā)寄存器（Address 0x0F）寫入任何數(shù)據(jù)值來啟動兩個通道的單次轉(zhuǎn)換。

九、傳感器故障檢測

ADM1023在D+輸入處有一個故障檢測器，用于檢測外部傳感器二極管是否開路。當(dāng)D+處的電壓超過VCC - 1 V（典型值）時，比較器會觸發(fā)，并設(shè)置狀態(tài)寄存器的第2位。

如果遠程傳感器電壓低于正常測量范圍，ADC會輸出 -128°C（1000 0000 000），這可以被解釋為故障條件。與一些競爭設(shè)備不同，ADM1023不會將真正的0°C測量誤判為故障條件。

十、應(yīng)用相關(guān)

（一）影響精度的因素

1. 遠程傳感二極管

ADM1023可以與處理器內(nèi)置的襯底晶體管或分立晶體管配合使用。選擇分立晶體管時，應(yīng)考慮基極發(fā)射極電壓、基極電阻和(h_{fe})的變化等因素，以確保最佳精度。

2. 熱慣性和自熱

精度取決于遠程傳感二極管和/或內(nèi)部溫度傳感器與被測量部分的溫度一致性。遠程傳感器通常不會有問題，而片上傳感器可能會受到熱慣性的影響，不過由于封裝與印刷電路板的電氣和熱連接，自熱引起的溫度上升可以忽略不計。

（二）布局考慮

在數(shù)字電路板上，ADM1023測量的是來自遠程傳感器的非常小的電壓，因此需要采取措施最小化傳感器輸入處的噪聲。例如，將ADM1023盡可能靠近遠程傳感二極管放置，將D+和D - 軌道緊密并行布線，并在兩側(cè)設(shè)置接地保護軌道，使用寬軌道以減少電感和噪聲拾取，盡量減少銅/焊點的數(shù)量，在VDD引腳附近放置0.1 μF的旁路電容，在D+、D - 兩端靠近ADM1023處放置1000 pF的輸入濾波電容等。

（三）應(yīng)用電路

文檔中給出了典型的應(yīng)用電路，包括使用分立傳感器晶體管通過屏蔽雙絞線電纜連接的電路，以及ADM1023與I/O控制器集成到系統(tǒng)中的電路。

十一、總結(jié)

ADM1023作為一款高性能的溫度監(jiān)測器，具有高精度、低功耗、多種功能和靈活的配置選項，適用于各種需要溫度監(jiān)測和管理的應(yīng)用場景。在設(shè)計過程中，我們需要充分考慮其技術(shù)規(guī)格、引腳配置、工作原理、寄存器功能、總線接口等方面，同時注意影響精度的因素和布局考慮，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。你在實際應(yīng)用中是否遇到過類似的溫度監(jiān)測問題？又是如何解決的呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗。