深入解析LM99：高精度遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器的卓越性能與應(yīng)用

在電子設(shè)備的設(shè)計(jì)與運(yùn)行中，精確的溫度監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。德州儀器（TI）的LM99遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器，憑借其高精度、多功能和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景，成為眾多工程師的理想選擇。本文將深入探討LM99的特性、工作原理、應(yīng)用及設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為電子工程師提供全面的參考。

文件下載：lm99.pdf

一、LM99簡(jiǎn)介

LM99是一款11位遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器，具備2線系統(tǒng)管理總線（SMBus）串行接口。它不僅能精確測(cè)量自身溫度，還能準(zhǔn)確感知遠(yuǎn)程二極管連接晶體管（如2N3904）或圖形處理器單元（GPU）、計(jì)算機(jī)處理器單元（CPU）等ASIC上常見的熱敏二極管的溫度。

主要特性

1. 高精度溫度傳感：能精確感應(yīng)遠(yuǎn)程二極管溫度，本地溫度測(cè)量也有不錯(cuò)的精度。
2. 靈活的二極管適配：通過偏移寄存器，可適配各種熱敏二極管。
3. 本地溫度監(jiān)測(cè)：具備板載本地溫度傳感功能。
4. 高分辨率數(shù)據(jù)輸出：遠(yuǎn)程二極管溫度數(shù)據(jù)格式為10位加符號(hào)，分辨率達(dá)0.125°C。
5. 豐富的輸出功能：T_CRIT_A輸出可用于系統(tǒng)關(guān)機(jī)，ALERT輸出支持SMBus 2.0協(xié)議。
6. 兼容SMBus 2.0：支持超時(shí)功能，通信穩(wěn)定。
7. 小巧封裝：采用8引腳VSSOP封裝，節(jié)省空間。

應(yīng)用領(lǐng)域

廣泛應(yīng)用于圖形處理器熱管理、計(jì)算機(jī)處理器熱管理、電子測(cè)試設(shè)備和辦公電子等領(lǐng)域。

二、關(guān)鍵規(guī)格參數(shù)

1. 電源電壓：3.0V至3.6V，滿足大多數(shù)電子設(shè)備的供電需求。
2. 電源電流：典型值為0.8mA，功耗較低。
3. 溫度精度
   • 本地溫度精度（TA = 25°C至125°C）：±3.0°C（最大）。
   • 遠(yuǎn)程二極管溫度精度在不同溫度區(qū)間有所不同，TA = 30°C至50°C，TD = 120°C至140°C時(shí)，精度為±1.0°C（最大）；TA = 0°C至85°C，TD = 25°C至140°C時(shí)，精度為±3.0°C（最大）。

三、工作原理

LM99采用基于delta VBE的溫度傳感器和10位加符號(hào)ΔΣ ADC（Delta - Sigma模數(shù)轉(zhuǎn)換器）。它通過數(shù)字比較器將測(cè)量的本地溫度（LT）和遠(yuǎn)程溫度（RT）分別與用戶可編程的溫度極限寄存器（如Local High、Local Low、Local T_CRIT、Remote High、Remote Low、Remote T_CRIT）進(jìn)行比較。當(dāng)溫度超出預(yù)設(shè)范圍時(shí)，ALERT輸出或T_CRIT_A輸出將被觸發(fā)。

四、功能模塊詳解

1. 轉(zhuǎn)換序列

LM99完成本地溫度（LT）、遠(yuǎn)程溫度（RT）的轉(zhuǎn)換并更新所有寄存器大約需要31.25ms。轉(zhuǎn)換過程中，狀態(tài)寄存器（02h）中的忙碌位（D7）為高。轉(zhuǎn)換速率可通過轉(zhuǎn)換速率寄存器（04h）進(jìn)行修改，不同的轉(zhuǎn)換速率會(huì)影響供電電流。

2. ALERT輸出

ALERT引腳是一個(gè)低電平有效、開漏輸出的引腳，可通過三種方式使用：

• 溫度比較器：在系統(tǒng)未由中斷程序服務(wù)時(shí)，可作為溫度比較器。當(dāng)觸發(fā)ALERT輸出的條件不再存在時(shí)，ALERT將恢復(fù)高電平。使用此模式時(shí)，需將FILTER和ALERT CONFIGURE REGISTER（xBF）中的D0位（ALERT配置位）置高。
• 中斷信號(hào)：可作為簡(jiǎn)單的中斷信號(hào)觸發(fā)中斷服務(wù)程序。在讀取狀態(tài)寄存器時(shí)，若狀態(tài)寄存器中的任何位（除忙碌位D7和OPEN位D2外）被置位，LM99將設(shè)置ALERT掩碼位（配置寄存器的D7位），防止進(jìn)一步觸發(fā)ALERT，直到主設(shè)備在中斷服務(wù)程序結(jié)束時(shí)重置ALERT掩碼位。此模式下，F(xiàn)ILTER和ALERT CONFIGURE REGISTER（xBF）中的D0位需置低。
• SMBus ALERT：當(dāng)ALERT輸出連接到其他SMBus兼容設(shè)備的ALERT輸出和主設(shè)備時(shí)，形成SMBus警報(bào)線。LM99應(yīng)使用ARA（Alert Response Address）協(xié)議。在接收到ARA命令后，LM99會(huì)發(fā)送其地址，并在成功發(fā)送地址后設(shè)置ALERT掩碼位，釋放ALERT輸出引腳。主設(shè)備需在中斷服務(wù)程序中讀取狀態(tài)寄存器，并在結(jié)束時(shí)將配置寄存器中的ALERT掩碼位重置為0。

3. T_CRIT_A輸出和T_CRIT限制

當(dāng)任何溫度讀數(shù)超過關(guān)鍵溫度設(shè)定點(diǎn)寄存器（T_CRIT）中的預(yù)設(shè)極限時(shí)，T_CRIT_A輸出將被激活。狀態(tài)寄存器可用于確定觸發(fā)警報(bào)的事件。本地和遠(yuǎn)程溫度二極管由A/D轉(zhuǎn)換器依次采樣，T_CRIT_A輸出和狀態(tài)寄存器標(biāo)志在每次本地和遠(yuǎn)程溫度轉(zhuǎn)換后更新。

4. 電源復(fù)位默認(rèn)狀態(tài)

LM99上電后會(huì)進(jìn)入已知的默認(rèn)狀態(tài)，包括命令寄存器、本地溫度、遠(yuǎn)程二極管溫度、狀態(tài)寄存器、配置寄存器等的初始設(shè)置。

5. SMBus接口

LM99作為SMBus的從設(shè)備，SMBCLK線為輸入，SMBData線為雙向。它具有7位從地址，LM99和LM99 - 1的從地址不同，可同時(shí)存在于同一總線上。

6. 溫度數(shù)據(jù)格式

• 遠(yuǎn)程溫度數(shù)據(jù)由11位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，LSB為0.125°C，存儲(chǔ)在兩個(gè)8位寄存器中。
• 本地溫度數(shù)據(jù)由8位二進(jìn)制補(bǔ)碼表示，LSB為1°C。

7. 開漏輸出

SMBData、ALERT和T_CRIT_A輸出為開漏輸出，需外部上拉電阻提供上拉電流。上拉電阻應(yīng)盡可能大，以減少LM99內(nèi)部發(fā)熱導(dǎo)致的溫度讀數(shù)誤差。

8. 二極管故障檢測(cè)

LM99具備檢測(cè)遠(yuǎn)程二極管故障的功能。當(dāng)D +引腳短路到VDD或浮空時(shí)，遠(yuǎn)程溫度高字節(jié)（RTHB）寄存器加載為+127°C，低字節(jié)（RTLB）寄存器加載為0，狀態(tài)寄存器中的OPEN位（D2）置位。當(dāng)D +引腳短路到地或D -時(shí)，RTHB寄存器加載為 - 128°C，OPEN位不置位。

9. 與LM99通信

LM99的數(shù)據(jù)寄存器通過命令寄存器選擇。寫入操作需包含地址字節(jié)和命令字節(jié)，讀取操作可根據(jù)命令寄存器的狀態(tài)選擇不同方式。讀取時(shí)，主設(shè)備需確保從同一溫度轉(zhuǎn)換中獲取所有10位數(shù)據(jù)。

10. 串行接口復(fù)位

當(dāng)SMBus主設(shè)備復(fù)位而LM99正在SMBData線上傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，可通過兩種方式將LM99恢復(fù)到已知狀態(tài)：一是當(dāng)SMBData為低電平時(shí)，將SMBData或SMBCLK保持低電平超過35ms；二是當(dāng)SMBData為高電平時(shí)，主設(shè)備發(fā)起SMBus啟動(dòng)。

11. 數(shù)字濾波器

為抑制因噪聲導(dǎo)致的遠(yuǎn)程溫度讀數(shù)誤差，LM99內(nèi)置用戶可配置的數(shù)字濾波器。濾波器可在FILTER和ALERT CONFIGURE REGISTER（BFh）中設(shè)置，有無濾波、一級(jí)濾波和二級(jí)濾波三種模式，二級(jí)濾波為最大濾波。

12. 故障隊(duì)列

為抑制錯(cuò)誤的ALERT或T_CRIT觸發(fā)，LM99采用故障隊(duì)列。故障隊(duì)列默認(rèn)關(guān)閉，可通過將配置寄存器（09h）中的D0位置為“1”來激活。只有當(dāng)連續(xù)三次遠(yuǎn)程溫度測(cè)量超出HIGH、LOW或T_CRIT設(shè)定點(diǎn)時(shí)，才會(huì)觸發(fā)“超出限制”條件。

13. 單觸發(fā)寄存器

單觸發(fā)寄存器用于在設(shè)備處于待機(jī)模式時(shí)啟動(dòng)單次轉(zhuǎn)換和比較周期，轉(zhuǎn)換完成后設(shè)備返回待機(jī)狀態(tài)。寫入此寄存器即可觸發(fā)單觸發(fā)轉(zhuǎn)換，寫入的數(shù)據(jù)無關(guān)緊要，且不會(huì)存儲(chǔ)。

五、寄存器詳解

LM99包含多個(gè)寄存器，用于控制和讀取各種參數(shù)，如命令寄存器、本地和遠(yuǎn)程溫度寄存器、狀態(tài)寄存器、配置寄存器等。每個(gè)寄存器都有特定的功能和默認(rèn)值，工程師可根據(jù)需要進(jìn)行配置。

六、應(yīng)用提示

1. 溫度測(cè)量

• 若要測(cè)量LM99芯片外部的溫度，可使用遠(yuǎn)程二極管。該二極管可位于目標(biāo)IC的芯片上，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于LM99溫度的IC溫度測(cè)量。
• 注意離散二極管的溫度會(huì)受其引腳溫度的影響，且通常由引腳溫度主導(dǎo)。

2. 二極管非理想性

• 二極管的非理想性會(huì)影響溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。非理想性因子η會(huì)直接增加傳感器的不準(zhǔn)確性，可通過對(duì)每個(gè)溫度傳感器與配對(duì)的遠(yuǎn)程二極管進(jìn)行校準(zhǔn)來消除這種影響。
• 對(duì)于特定處理器類型，可使用偏移寄存器（11h和12h）減少與非理想性相關(guān)的溫度誤差。

3. PCB布局

在嘈雜環(huán)境（如處理器主板）中，PCB布局至關(guān)重要。為減少噪聲對(duì)溫度轉(zhuǎn)換的影響，應(yīng)遵循以下原則：

• 在VDD引腳附近放置0.1μF的電源旁路電容，在D +和D -引腳附近放置2.2nF的電容，并確保連接電容的走線匹配。
• 將LM99放置在距離處理器二極管引腳10cm以內(nèi)，走線應(yīng)盡可能直、短且相同。
• 用接地保護(hù)環(huán)包圍二極管走線，但不要在D +和D -線之間設(shè)置。
• 避免將二極管走線靠近電源開關(guān)或?yàn)V波電感、高速數(shù)字和總線線路。
• 若必須與高速數(shù)字走線交叉，應(yīng)使二者成90度角。
• 將LM99的GND引腳連接到與感測(cè)二極管相關(guān)的處理器GND附近。
• 盡量減少D +和GND之間的泄漏電流，保持印刷電路板清潔。

七、總結(jié)

LM99作為一款功能強(qiáng)大的遠(yuǎn)程二極管溫度傳感器，以其高精度、多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)際應(yīng)用中，工程師需根據(jù)具體需求合理配置寄存器，優(yōu)化PCB布局，以充分發(fā)揮LM99的性能。同時(shí)，要注意二極管的非理想性對(duì)溫度測(cè)量的影響，并采取相應(yīng)的補(bǔ)償措施。希望本文能為電子工程師在使用LM99進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)提供有價(jià)值的參考。你在使用LM99過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享交流。