深度解析TMP421、TMP422、TMP423溫度傳感器：特性、應(yīng)用與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)中，精確的溫度監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。德州儀器（TI）的TMP421、TMP422和TMP423系列溫度傳感器，憑借其高精度、多通道等特性，在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。今天，我們就來深入了解一下這三款傳感器。

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一、產(chǎn)品概述

TMP421、TMP422和TMP423是帶有內(nèi)置本地溫度傳感器的遠(yuǎn)程溫度傳感器監(jiān)測(cè)器。TMP421為兩通道數(shù)字溫度傳感器，結(jié)合了本地管芯溫度測(cè)量通道和遠(yuǎn)程結(jié)溫度測(cè)量通道，有SOT23 - 8和DSBGA - 8兩種封裝；TMP422為三通道，TMP423為四通道，它們?cè)趩蝹€(gè)SOT23 - 8封裝中分別結(jié)合了本地管芯溫度測(cè)量通道和兩個(gè)或三個(gè)遠(yuǎn)程結(jié)溫度測(cè)量通道。這些器件與兩線和SMBus接口兼容，工作溫度范圍為 - 40°C至 + 125°C。

二、產(chǎn)品特性亮點(diǎn)

高精度測(cè)量

• 遠(yuǎn)程精度高：遠(yuǎn)程溫度傳感器的精度可達(dá)±1°C（最大），無需校準(zhǔn)，適用于多個(gè)IC制造商的產(chǎn)品。
• 本地精度可靠：本地溫度傳感器的精度為±1.5°C（最大），能為系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的本地溫度信息。

功能特性豐富

• 串聯(lián)電阻消除：可自動(dòng)消除應(yīng)用電路中因印刷電路板（PCB）走線電阻和遠(yuǎn)程線路長(zhǎng)度產(chǎn)生的串聯(lián)電阻，最大可消除3kΩ的串聯(lián)線路電阻，避免溫度偏移，無需額外的特性表征和溫度偏移校正。
• n因子校正：允許使用不同的n因子值將遠(yuǎn)程通道測(cè)量值轉(zhuǎn)換為溫度，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整有效n因子，以提高測(cè)量精度。
• 多接口地址：TMP421支持九個(gè)從設(shè)備地址，TMP422支持四個(gè)從設(shè)備地址，TMP423有兩個(gè)工廠預(yù)設(shè)的從地址之一，方便在不同的系統(tǒng)配置中使用。
• 二極管故障檢測(cè)：能夠檢測(cè)二極管連接錯(cuò)誤或開路故障，當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，溫度結(jié)果寄存器中的OPEN位將被置為 '1'。
• 差分輸入電容耐受性強(qiáng)：可承受高達(dá)1000pF的差分輸入電容，溫度誤差變化極小。

封裝形式多樣

提供SOT23 - 8和DSBGA（WCSP）兩種封裝，滿足不同的應(yīng)用場(chǎng)景和設(shè)計(jì)需求。

三、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛

處理器/FPGA溫度監(jiān)測(cè)

在處理器和FPGA等設(shè)備中，溫度過高會(huì)影響其性能和穩(wěn)定性。TMP421、TMP422和TMP423能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)這些設(shè)備的溫度，確保其在安全的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。

投影儀設(shè)備

如LCD/DLP?/LCOS投影儀，精確的溫度監(jiān)測(cè)有助于保證投影儀的圖像質(zhì)量和使用壽命。

服務(wù)器和電信設(shè)備

在服務(wù)器和中央辦公室電信設(shè)備中，穩(wěn)定的溫度環(huán)境對(duì)于設(shè)備的正常運(yùn)行至關(guān)重要。這些傳感器可以及時(shí)反饋設(shè)備的溫度信息，以便采取相應(yīng)的散熱措施。

存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（SAN）

SAN系統(tǒng)中的存儲(chǔ)設(shè)備對(duì)溫度較為敏感，使用這些溫度傳感器可以有效監(jiān)測(cè)設(shè)備溫度，防止因過熱導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失和設(shè)備損壞。

四、電氣特性詳解

溫度誤差

• 本地溫度傳感器：在 - 40°C至 + 125°C的溫度范圍內(nèi)，本地溫度傳感器的誤差最大為±2.5°C。
• 遠(yuǎn)程溫度傳感器：在不同的溫度和電壓條件下，遠(yuǎn)程溫度傳感器的誤差有所不同。例如，在TA = + 15°C至 + 85°C，TD = - 40°C至 + 150°C，V+ = 3.3V的條件下，誤差最大為±1.5°C。

溫度測(cè)量參數(shù)

• 轉(zhuǎn)換時(shí)間：每個(gè)通道的轉(zhuǎn)換時(shí)間典型值為115ms，最大值為130ms。
• 分辨率：本地和遠(yuǎn)程通道的測(cè)量分辨率均為0.0625°C，不可調(diào)節(jié)。
• 遠(yuǎn)程傳感器源電流：提供高、中、低三種不同的源電流，分別為120μA、12μA和6μA。

SMBus接口特性

• 邏輯輸入電壓：邏輯輸入高電壓（SCL、SDA）典型值為2.1V，邏輯輸入低電壓（SCL、SDA）典型值為0.8V。
• 輸出特性：SMBus輸出低灌電流典型值為500mA，SDA輸出低電壓典型值為0.15V。
• 時(shí)鐘頻率和超時(shí)：SMBus時(shí)鐘頻率范圍為1kHz至3.4MHz，SMBus超時(shí)時(shí)間為30ms。

電源特性

• 電壓范圍：TMP421的電源電壓范圍為2.7V至5.5V，TMP421C為2.55V至5.5V，TMP422和TMP423為2.7V至5.5V。
• 靜態(tài)電流：在不同的工作模式和轉(zhuǎn)換速率下，靜態(tài)電流有所不同。例如，在每秒0.0625次轉(zhuǎn)換且串行總線活動(dòng)、fS = 400kHz的關(guān)機(jī)模式下，靜態(tài)電流典型值為2.3μA。

五、寄存器信息

TMP421、TMP422和TMP423包含多個(gè)寄存器，用于保存配置信息、溫度測(cè)量結(jié)果和狀態(tài)信息。

指針寄存器

8位指針寄存器用于尋址給定的數(shù)據(jù)寄存器，每次寫命令都會(huì)設(shè)置該寄存器的值，在執(zhí)行讀命令之前必須先向指針寄存器寫入正確的值。

溫度寄存器

本地通道和每個(gè)遠(yuǎn)程通道都有一個(gè)高字節(jié)寄存器和一個(gè)低字節(jié)寄存器，分別存儲(chǔ)溫度ADC結(jié)果的最高有效位（MSB）和最低有效位（LSB）。溫度寄存器為只讀寄存器，每次溫度測(cè)量完成后由ADC更新。

狀態(tài)寄存器

狀態(tài)寄存器報(bào)告溫度ADC的狀態(tài)，通過訪問指針地址08h進(jìn)行讀取。其中的BUSY位用于指示ADC是否正在進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

配置寄存器

• 配置寄存器1：設(shè)置溫度范圍并控制關(guān)機(jī)模式。通過設(shè)置RANGE位可選擇標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量范圍（ - 40°C至 + 127°C）或擴(kuò)展測(cè)量范圍（ - 55°C至 + 150°C）；SD位用于啟用或禁用溫度測(cè)量電路。
• 配置寄存器2：控制哪些溫度測(cè)量通道被啟用以及外部通道是否啟用電阻校正功能。

轉(zhuǎn)換速率寄存器

控制溫度轉(zhuǎn)換的速率，可調(diào)整轉(zhuǎn)換之間的空閑時(shí)間，從而平衡設(shè)備的功耗和溫度寄存器的更新速率。

η - 因子校正寄存器

允許使用不同的η - 因子值將遠(yuǎn)程通道測(cè)量值轉(zhuǎn)換為溫度，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整有效η - 因子。

軟件復(fù)位寄存器

向該寄存器寫入任何值可將所有寄存器恢復(fù)到上電復(fù)位狀態(tài)，并中止正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換。

識(shí)別寄存器

通過讀取指針地址FEh和FFh可分別獲取制造商ID和設(shè)備ID，方便軟件識(shí)別設(shè)備。

六、通信接口與操作

總線概述

TMP421、TMP422和TMP423與SMBus接口兼容，在SMBus協(xié)議中，發(fā)起傳輸?shù)脑O(shè)備為 master，受 master 控制的設(shè)備為 slave?？偩€必須由 master 設(shè)備控制，它負(fù)責(zé)生成串行時(shí)鐘（SCL）、控制總線訪問以及生成START和STOP條件。

串行接口

這些器件僅作為從設(shè)備在兩線總線或SMBus上運(yùn)行，通過開漏I/O線SDA和SCL進(jìn)行連接。SDA和SCL引腳具有集成的尖峰抑制濾波器和施密特觸發(fā)器，可減少輸入尖峰和總線噪聲的影響。支持快速（1kHz至400kHz）和高速（1kHz至3.4MHz）模式的傳輸協(xié)議，所有數(shù)據(jù)字節(jié)均先傳輸MSB。

串行總線地址

• TMP421：支持九個(gè)從設(shè)備地址，由A1和A0引腳設(shè)置。
• TMP422：支持四個(gè)從設(shè)備地址，由外部晶體管與TMP422的連接設(shè)置。
• TMP423：有兩個(gè)工廠預(yù)設(shè)的從地址之一，TMP423A為1001100b，TMP423B為1001101b。

  讀寫操作

  訪問特定寄存器時(shí)，需先向指針寄存器寫入相應(yīng)的值。讀操作時(shí)，使用最后一次寫操作存儲(chǔ)在指針寄存器中的值來確定要讀取的寄存器。讀操作結(jié)束時(shí)，應(yīng)在最后一個(gè)字節(jié)的確認(rèn)時(shí)間發(fā)出Not - Acknowledge命令。

七、設(shè)計(jì)要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

硬件連接

• 遠(yuǎn)程傳感器連接：TMP421只需在DXP和DXN引腳之間連接一個(gè)晶體管；TMP422需要在DX1和DX2以及DX3和DX4之間連接晶體管，未使用的通道必須連接到GND；TMP423需要在每個(gè)正通道（DXP1、DXP2和DXP3）連接一個(gè)晶體管，每個(gè)通道的基極連接到公共負(fù)端DXN，未使用的DXP引腳可懸空或連接到GND。
• 接口引腳：SCL和SDA接口引腳需要上拉電阻，建議使用0.1μF的電源旁路電容進(jìn)行本地旁路。

布局考慮

• 位置選擇：將TMP421、TMP422和TMP423盡可能靠近遠(yuǎn)程結(jié)傳感器放置，以減少噪聲干擾。
• 走線設(shè)計(jì)：DXP和DXN走線應(yīng)相鄰布置，并使用接地保護(hù)走線屏蔽相鄰信號(hào)；若使用多層PCB，應(yīng)將這些走線埋在接地或V + 平面之間。
• 電容和電阻：在遠(yuǎn)程溫度傳感器輸入之間放置差分旁路電容，電容值應(yīng)在100pF至1nF之間；若需要增加串聯(lián)電阻，總阻值不應(yīng)大于3kΩ。
• 連接方式：當(dāng)遠(yuǎn)程溫度傳感器與器件之間的連接長(zhǎng)度小于8英寸（20.32cm）時(shí)，使用雙絞線連接；超過8英寸時(shí)，使用帶屏蔽的雙絞線，并將屏蔽層盡可能靠近器件接地。

測(cè)量精度與熱考慮

• 溫度傳感器與監(jiān)測(cè)點(diǎn)的熱接觸：溫度測(cè)量精度取決于遠(yuǎn)程和/或本地溫度傳感器與被監(jiān)測(cè)系統(tǒng)點(diǎn)的溫度一致性。確保溫度傳感器與被監(jiān)測(cè)部件有良好的熱接觸，以減少溫度變化響應(yīng)的延遲。
• 本地溫度傳感器的熱特性：本地溫度傳感器監(jiān)測(cè)器件周圍的環(huán)境空氣溫度，其熱時(shí)間常數(shù)約為2秒。在大多數(shù)應(yīng)用中，器件封裝與PCB有電氣和熱接觸，同時(shí)可能受到強(qiáng)制氣流影響，因此測(cè)量溫度的準(zhǔn)確性直接取決于PCB和強(qiáng)制氣流溫度對(duì)器件測(cè)量溫度的代表性。此外，器件的內(nèi)部功耗可能導(dǎo)致溫度高于環(huán)境或PCB溫度，但由于激勵(lì)遠(yuǎn)程溫度傳感器使用的電流較小，由此產(chǎn)生的功耗可忽略不計(jì)。

八、總結(jié)

TMP421、TMP422和TMP423溫度傳感器以其高精度、豐富的功能和良好的兼容性，為電子設(shè)備的溫度監(jiān)測(cè)提供了可靠的解決方案。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們需要根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景合理選擇器件，并注意硬件連接、布局設(shè)計(jì)和測(cè)量精度等方面的問題，以充分發(fā)揮這些傳感器的性能優(yōu)勢(shì)。你在使用這些傳感器的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。