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低功耗 温度采集 可靠性 寿命时间长

低功耗温度采集电路设计

2019-03-14
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一、电路设计目的

   应用在恶劣的使用环境 (如高温、高湿等) 中的部分产品,温度传感器可能因长时间接通电源使传感器本体的材料加快电迁移或老化,导致缩短传感器使用寿命周期或提前失效的情况。增加传感器电源控制电路,解决传感器长时间通电的情况,延长传感器使用寿命。同时本方案也适用于有待机功耗要求的电控方案上。

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二、工作原理简介

    原理图如上图所述,控制Q1的“MCU  I/O”端口为高电平时,Q1的栅极(G)电压高于源极(S)的动作电压阀值VGS(th)使Q1导通,温度传感器电路电源地“Vss(temp)”接通到GND可以进行温度采集;否则控制Q1的“MCU  I/O”端口为低电平时,Q1的栅极(G)电压低于源极(S)的动作电压阀值VGS(th)而不能使Q1导通,温度传感器电路电源“Vss(temp)”与GND断开而不能进行温度采集。

    在温度传感器电路电源地接通的情况下,温度传感器RT1(相当于可变电阻)与电阻R9形成分压,则“Tp temp”端口电压约为:VCC*RT1/(RT1+R9),温度传感器RT1的电阻值随外界温度的变化而变化,“Tp temp”端口的电压相应变化。RT1在不同的温度有相应的阻值,对应“Tp temp”端口有相应的电压值,外界温度与T端电压形成一一对应的关系,将此对应关系制成表格,单片机通过A/D采样端口采集信号,根据不同的A/D值判断外界温度。


三、各元器件作用

电路中,Q1为低导通内阻的“开关”,用于控制温度传感器采样电路的电源地“Vss(temp)”与GND的通断;

R12与R13组成分压电路,确保Q1在“MCU  I/O”端口为高电平时,Q1的栅极(G)电压高于源极(S)的动作电压阀值VGS(th)使Q1可靠导通;

RT1与R9组成分压电路;

D7与D8为钳位二极管,确保输入“Tp temp”端口电压不大于VCC、不小于0V,视实际情况,可作为可选器件。

E5起到平滑波形的作用,考虑实际工作环境,要求室外环境恶劣选用105℃ 高频低阻抗电解电容产品;室内环境可选用85℃。

R11和C7形成RC滤波电路,滤除电路中的尖脉冲,因C7电容选用贴片封装时较易受潮,市场上多次出现因此封装电容失效的外退情况,故根据品质整改分析,要求C7电容封装必须选用插件封装。同时考虑室外的实际工作环境,C7要求该电容选用K档或更高精度的电容。


四、电源开关管Q1

    因控制温度检测电路电源地的开关管的导通压降对温度采用精度影响较大,因此该开关管的选择尤为注意,不能选用导通压降太大的普通的三极管和MOS管。另外,该开关管是控制GND与传感器采样电路的电源“Vss(temp)”之间的通断,且温度传感器相对Q1作为上置负载,因此此开关管只能选用N沟道的低导通阻抗的MOS管。

    出于成本和尺寸考虑,一般选用导通的最大工作电压VDSS绝对值不大于30V的MOS管,但为了长期可靠工作,该最大工作电压绝对值也不能小于VCC的2倍。

    对于MOS管的导通压降影响至关重要的是MOS管导通时漏极D与源极S间的导通阻抗RDS(on) ,根据导通压降VDS(on)= RDS(on)*(IRT1+ IRT2+……), (其中IRT1、IRT2、。。。分别为流过温度传感器1、温度传感器2等温度传感器的电流),由此可知RDS(on)要求尽可能小。一般VGS(th)=+1.2V的情况下,RDS(on)要求不大于3Ω (理由:实际产品设计应用中,单套空调电控上使用的温度传感器数量基本不多于6个,如果按6个传感器计算,通过Q1的最大电流=5V/8.1K*6 =3.7mA(该计算出来的最大电流为各个温度传感器本身直接短路时的电流为正常工作下流过Q1的最大总电流),通过计算该时刻的理论VDS(on)约为0.012V,可以忽略Q1这个导通时的压降对温度采样误差的影响)。

    由此Q1 选用漏极最大电流Id不小于200mA的罗姆(ROHM)的N沟道MOS管RUC002N05或者具有Id、VDSS、VGS(th)和RDS(on)这四个关键参数跟RUC002N05要求相同或比RUC002N05更优的同类其他品牌N沟道MOS管。


五、小结

本电路经过实用验证,实现可靠稳定的温度采集,在高温高湿度的环境下,能有效的切断电源来保护NTC温度传感器。当然缺点是增加了一个MCU的IO作为控制口。仅供参考。



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