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采用RTD的高EMC性能精密溫度測量解決方案

發布時間：2021-11-03 來源：ADI，Jon Geng, Li Ke, 和 Karl Wei 責任編輯：wenwei

【導讀】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係統？本文將討論精密溫度測量係統的設計考慮因素，以及如何在保持測量精度的同時提高係統的EMC性能。我們將以RTD溫度測量為例介紹測試結果和數據分析，以便我們能夠輕鬆地從概念開發出原型和產品並走向市場。

精密溫度測量和EMC挑戰

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境溫度。熱敏電阻是一種小尺寸且簡單的2線製方案，具有快速響應時間，但其非線性和有限的溫度範圍限製了其精度和應用。RTD是最穩定、最精確的溫度測量方法。RTD設計的難點在於需要外部激勵、複雜電路和校準。沒有溫度測量係統開發經驗的工程師可能會氣餒。熱電偶(TC)可以提供堅固耐用、便宜、不同測量範圍的解決方案，但完整的熱電偶測溫係統需要冷端補償(CJC)。與熱敏電阻、TC和RTD相(xiang)比(bi)，新(xin)型(xing)的(de)數(shu)字(zi)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)可(ke)以(yi)直(zhi)接(jie)通(tong)過(guo)數(shu)字(zi)接(jie)口(kou)提(ti)供(gong)校(xiao)準(zhun)的(de)溫(wen)度(du)數(shu)據(ju)。精(jing)密(mi)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)需(xu)要(yao)高(gao)精(jing)度(du)溫(wen)度(du)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)精(jing)密(mi)信(xin)號(hao)鏈(lian)來(lai)構(gou)成(cheng)一(yi)個(ge)溫(wen)度(du)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)。TC、RTD和數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並將其轉換為絕對溫度。在工業領域，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

創建數字溫度測量係統時，特別是針對工業和鐵路等惡劣環境中的應用時，不僅要關注精度和設計難度，EMC性能也是保持係統穩定的關鍵特性。係統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性能的溫度測量係統是非常具有挑戰性的。溫度測量係統的EMC性能決定其能否在指定的電磁環境中正常工作。

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字溫度測量係統，支持直接TC測量、直接RTD測量、直接熱敏電阻測量和定製傳感器應用。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顯示了經典比率式溫度測量電路和計算公式。

圖 1. 經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，以便係統設計人員能夠實現出色的EMC性能。

RTD溫度測量解決方案

以 LTC2983 溫度測量AFE為例。係統控製器可以通過SPI接口直接從LTC2983讀取校準的溫度數據，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，並降低信號電路漏電流的影響。基於這些特性，LTC2983可以加速多通道精密溫度測量係統的設計，實現高EMC性能而無需複雜的電路設計，讓您和您的客戶更有信心。圖2顯示了EMC保護的LTC2983溫度測量係統框圖。

圖 2. EMC 保護的 LTC2983 溫度測量係統

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範圍內的溫度。100Ω和1000Ω鉑RTD最常見，但也可以由鎳或銅製成。

最簡單的RTD溫度測量係統是2線配置，但引線電阻會引入額外的係統溫度誤差。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。考慮到實際的客戶用例，本文選擇了3線RTD配置並測試其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係統失調。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數據手冊。

圖 4. 4 線配置消除額外的電阻誤差

溫度測量係統的穩健性挑戰

與大多數溫度測量IC一樣，LTC2983可以耐受2 kV HBM ESD電平。但在工業自動化、鐵路和其他苛刻電磁環境中，電子器件需要麵對更高的幹擾電平和更複雜的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)和浪湧等。

為了降低下遊設備遭到損壞的風險並提高係統的魯棒性，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，在該溫度測量係統中，噪聲源來自周圍環境。耦合路徑是傳感器電纜，LTC2983shijieshouqi。gongyezidonghuahetieluyingyongzongshishiyongchangchuanganqidianlanlaijianceyuanchengqijiandewendu。chuanganqidianlandechangdukeyishishumishenzhishushimi。jiaochangdedianlandaozhiouhelujinggengda，wenduceliangxitongmianlingengyanzhongdeEMI挑戰。

圖 5. 溫度測量係統的 EMI 事件的三要素

采用TVS的係統級保護解決方案

瞬變電壓抑製器(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係統穩健性，還能保持係統的高測量性能。表2顯示了TVS器件的主要參數，包括工作峰值反向電壓、擊穿電壓、zuidaqianweidianyahezuidafanxiangloudianliu。gongzuofengzhifanxiangdianyabixugaoyuzuidachuanganqixinhao，yiquebaoxitongzhengchanggongzuo。jichuandianyabuyingbixinhaodianyagaohenduo，yibimianchanshenghenkuandewubaohudianyafanwei。zuidaqianweidianyajuedingTVS可以抑製的最大幹擾信號電壓。反向漏電流會對係統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

正常工作條件下，TVS器件表現出很高的對地阻抗。將一個大於TVS擊穿電壓的瞬變電壓施加於係統輸入端時，一旦TVS被擊穿，輸入端電壓就會被箝位並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。限流電阻和下遊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，並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。

該溫度測量係統依據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，係統必須正常工作並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、測試電平和係統受EMI事件幹擾時的溫度波動。圖6顯示了測試時的輸出溫度數據曲線，其對應於表3中的最大溫度波動。

表3. EMI測試結果

增加保護後的溫度測量精度

TVS和限流電阻有助於保護溫度測量係統不受EMC影響。箝位電壓越低的TVS，越能保護敏感電路。但反過來，它們可能產生係統誤差。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，則給係統增加的誤差越小。

圖 6. 測試時的輸出溫度數據曲線

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（可以在大多數電子元器件經銷商那裏買到）和一個精度為±0.1%的100Ω限流電阻來保護係統，避免引入任何顯著的測量誤差。

為了實現高測量精度，我們使用精密電阻矩陣來替換PT-1000傳感器並模擬溫度變化。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線配置來評估係統的精度性能。這更有利於消除傳感器誤差。

為了更準確地計算係統誤差，我們需要使用與LTC2983相xiang同tong的de標biao準zhun將jiang電dian阻zu值zhi轉zhuan換huan為wei溫wen度du。傳chuan感gan器qi製zhi造zao商shang發fa布bu的de溫wen度du查zha找zhao表biao是shi最zui準zhun確que的de轉zhuan換huan方fang法fa。但dan是shi，將jiang每mei個ge溫wen度du點dian寫xie入ru處chu理li器qi的de存cun儲chu器qi中zhong是shi不bu明ming智zhi的de。因yin此ci，我wo們men使shi用yong以yi下xia公gong式shi來lai計ji算suan溫wen度du結jie果guo³。

當T > 0°C時，公式為：

計算對應於電阻值的溫度：

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的溫度範圍內，總係統誤差不超過±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的係統誤差，尤其是TVS漏電流。可以看到，隨著溫度升高，係統誤差增加。這就涉及到TVS的I-V曲線特性。

係統誤差可計算如下

其中：

T_error 為LTC2983溫度測量係統的總輸出誤差(°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，係統總峰峰值噪聲不超過±0.01°C，此結果符合數據手冊規格。

圖 7. 係統誤差與溫度的關係

圖 8. 係統峰峰值噪聲與溫度的關係

圖 9. LTC2983 對 RTD 溫度測量的誤差貢獻

10. 激勵電流旋轉配置：(a) 正向激勵流，(b) 反向激勵流

TVS誤差貢獻和優化配置

TVS的I-V曲線特性可以從器件的數據手冊中找到。然而，大多數TVS製造商僅提供器件參數的典型值，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數據。

本應用中使用Littelfuse SMAJ5.0A TVS。測試一些樣品之後，我們發現漏電流在1 V反向電壓約為1μA，遠小於TVS數據手冊給出的最大反向漏電流。這種漏電流會產生重大係統誤差。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TVS測量數據，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係統誤差。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，RRTD1或RRTD2將包括最大TVS誤差貢獻。

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)將等於Error (R_RTD1)，或者Error(R_RTDROT)將等於Error(R_RTD2)。根據公式13至公式18，當I_exc = 6 × I_TVS，Error (R_RTDROT)將等於min {Error(R_RTD1), Error(R_RTD2)}。當I_exc = 6 × I_TVS時，由於TVS漏電流，係統的精度將會降低16.7%。

根據配置和測試結果，I_exc > 6 × I_TVS，因此

通常，I_exc > 100 × I_TVS。圖11顯示了係統誤差，其中：

RR_TDROT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。

上麵的推導告訴我們，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配置的係統誤差。如圖所示，當不使用TVS時，旋轉和非旋轉配置的係統精度大致相同。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數據手冊。使用TVS保護係統時，總係統誤差會增加。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，從而有助於在大部分溫度測量範圍內實現與非TVS保護係統類似的精度水平。與沒有TVS的係統相比，額外的誤差是由TVS器件間差異貢獻的。

圖 11. 係統誤差與不同硬件和軟件配置的關係

結論

溫度測量係統設計常被認為不是艱巨的任務。然而，對於大多數係統設計人員而言，開發高度精確且穩健的溫度測量係統是一個挑戰。LTC2983智能數字溫度傳感器可以幫助戰勝這一挑戰，開發出可以快速推向市場的產品。

● 這種受保護的LTC2983溫度測量係統具有±0.4°C的係統精度。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溫度測量係統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，以滿足您的生產需求。

參考電路

References

¹ Logan Cummings。 “ Colm Slattery、Derrick Hartmann和Li Ke” 。Journal of Analog Innovation，第27卷第1號。淩力爾特，2017年4月。

² Colm Slattery、Derrick Hartmann和Li Ke。 “利用PLC評估板簡化工業過程控製係統設計”。EE Times，2009年8月。

³ CN0383：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測量係統。ADI公司，2020年10月。

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

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