提高精密 RTD 溫度測量解決方案的 EMC 性能

您是否想知道如何設(shè)計具有高電磁兼容性 (EMC) 性能的精密溫度測量系統(tǒng)?本文將討論精密溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計注意事項以及如何在保持測量精度的同時提高系統(tǒng)的 EMC 性能。我們將以 RTD 溫度測量為例，介紹測試結(jié)果和數(shù)據(jù)分析，使我們能夠輕松地從概念轉(zhuǎn)向原型，從概念轉(zhuǎn)向市場。

精密溫度測量和 EMC 挑戰(zhàn)

溫度測量是模擬世界中最常用的傳感技術(shù)之一。有許多測量技術(shù)可用于感測環(huán)境溫度。熱敏電阻是一種小型、簡單的 2 線實(shí)現(xiàn)，具有快速響應(yīng)時間，但其非線性和有限的溫度范圍限制了其精度和應(yīng)用。RTD 是最穩(wěn)定、最準(zhǔn)確的溫度測量方法。RTD 設(shè)計的難點(diǎn)在于它需要外部刺激、復(fù)雜的電路和校準(zhǔn)工作。沒有開發(fā)溫度測量系統(tǒng)經(jīng)驗的工程師可能會感到沮喪。熱電偶 (TC) 可以提供具有不同范圍的堅固、廉價的解決方案，但冷端補(bǔ)償 (CJC) 是完整系統(tǒng)所必需的。與熱敏電阻、TC 和 RTD 相比，新開發(fā)的數(shù)字溫度傳感器可以直接通過數(shù)字接口提供校準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)。精密溫度測量需要高精度溫度傳感器和精密信號鏈來組成溫度測量系統(tǒng)。TC、RTD 和數(shù)字溫度傳感器的精度最高。精密信號鏈設(shè)備可用，可用于收集這些傳感器信號并將其轉(zhuǎn)換為絕對溫度。在工業(yè)領(lǐng)域，達(dá)到 0.1°C 的精度是我們的目標(biāo)。此精度測量不包括傳感器誤差。表 1 顯示了不同溫度傳感器類型的比較。精密溫度測量需要高精度溫度傳感器和精密信號鏈來組成溫度測量系統(tǒng)。TC、RTD 和數(shù)字溫度傳感器的精度最高。精密信號鏈設(shè)備可用來收集這些傳感器信號并將其轉(zhuǎn)換為絕對溫度。在工業(yè)領(lǐng)域，達(dá)到 0.1°C 的精度是我們的目標(biāo)。此精度測量不包括傳感器誤差。表 1 顯示了不同溫度傳感器類型的比較。精密溫度測量需要高精度溫度傳感器和精密信號鏈來組成溫度測量系統(tǒng)。TC、RTD 和數(shù)字溫度傳感器的精度最高。精密信號鏈設(shè)備可用來收集這些傳感器信號并將其轉(zhuǎn)換為絕對溫度。在工業(yè)領(lǐng)域，達(dá)到 0.1°C 的精度是我們的目標(biāo)。此精度測量不包括傳感器誤差。表 1 顯示了不同溫度傳感器類型的比較。該精度測量不包括傳感器誤差。表 1 顯示了不同類型的溫度傳感器的比較。該精度測量不包括傳感器誤差。表 1 顯示了不同類型的溫度傳感器的比較。

表 1. 不同溫度傳感器類型的比較

在創(chuàng)建數(shù)字測溫系統(tǒng)時，尤其是在工業(yè)和鐵路等惡劣環(huán)境中的應(yīng)用，不僅要考慮精度和設(shè)計難度，而且 EMC性能也是保持系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵特性。系統(tǒng)需要額外的電路和分立元件來提高 EMC 性能。然而，更多的保護(hù)元件意味著更多的誤差源。因此，設(shè)計一個具有高傳感精度和高 EMC 性能的測溫系統(tǒng)非常具有挑戰(zhàn)性。測溫系統(tǒng)的 EMC 性能決定了它能否在指定的電磁環(huán)境中正常工作。

ADI 提供各種溫度測量解決方案，例如精密模數(shù)轉(zhuǎn)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(shù)字溫度測量系統(tǒng)，用于直接 TC 測量、直接 RTD 測量、直接熱敏電阻測量，并支持定制傳感器應(yīng)用。一些特殊配置有助于在添加 EMC 保護(hù)組件的同時保持高測量精度。

以下部分介紹了系統(tǒng)設(shè)計人員實(shí)現(xiàn)最佳 EMC 性能的溫度傳感解決方案。

RTD 溫度測量解決方案

以LTC2983測溫 AFE 為例，系統(tǒng)控制器可以直接通過 SPI 接口從 LTC2983 讀取經(jīng)過校準(zhǔn)的溫度數(shù)據(jù)，精度為 0.1°C，分辨率為 0.001°C。當(dāng)連接 4 線 RTD 時，激勵電流輪換功能可以自動消除熱電偶的寄生效應(yīng)，并降低信號電路漏電流的影響?；谶@些特性，LTC2983 可以加速多通道精密測溫系統(tǒng)的設(shè)計，無需復(fù)雜的電路設(shè)計即可實(shí)現(xiàn)高 EMC 性能，讓您和您的客戶更加放心。

RTD 無疑是高精度溫度測量的最佳選擇，可測量 –200°C 至 +800°C 范圍內(nèi)的溫度。100 Ω 和 1000 Ω 鉑 RTD 最為常見，但也可以由鎳或銅制成。

最簡單的 RTD 溫度測量系統(tǒng)是 2 線配置，但引線電阻會引入額外的系統(tǒng)溫度誤差。3 線配置可以通過將兩個匹配的電流源應(yīng)用于 RTD 來消除引線電阻誤差，但引線電阻應(yīng)相等。開爾文配置或 4 線配置可以通過使用高阻抗開爾文傳感直接測量傳感器來消除平衡或不平衡的引線電阻。但是，成本將成為 4 線配置的主要制約因素，因為它需要更多電纜，尤其是對于遠(yuǎn)程溫度測量。圖 3 顯示了不同的 RTD 線配置。 考慮到實(shí)際客戶使用案例，本文選擇了 3 線 RTD 配置并測試其 EMC 性能。

2 線和 3 線 RTD 傳感器也可以在 PCB 上使用開爾文配置。當(dāng)我們需要在信號鏈路中添加限流電阻和 RC 濾波器來保護(hù)設(shè)備的模擬輸入引腳時，這些額外的電阻會引入較大的系統(tǒng)偏移。例如，用 4 線開爾文配置替換 2 線保護(hù)電路可以幫助消除這種偏移，因為激勵電流不會流過這些限流電阻和 RC 濾波器，保護(hù)電阻引起的誤差可以忽略不計。

溫度測量系統(tǒng)面臨哪些穩(wěn)健性挑戰(zhàn)?

與大多數(shù)溫度測量 IC 一樣，LTC2983 可以承受超過 2 kV HBM ESD 水平。但在工業(yè)自動化、鐵路和其他惡劣的電磁環(huán)境中，電子設(shè)備需要面對更高的干擾水平和更復(fù)雜的 EMC 事件，例如靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT)、輻射敏感度 (RS)、傳導(dǎo)敏感度 (CS) 和浪涌。

需要額外的分立保護(hù)元件來降低下游設(shè)備損壞的風(fēng)險并提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

EMC 事件的三個要素是噪聲源、耦合路徑和接收器。如圖 5 所示，在該溫度測量系統(tǒng)中，噪聲源來自周圍環(huán)境。耦合路徑是傳感器電纜，LTC2983 是接收器。工業(yè)自動化和鐵路應(yīng)用總是使用長傳感器電纜來感測遠(yuǎn)程設(shè)備的溫度。傳感器電纜的長度可能有幾米甚至幾十米。更長的電纜會導(dǎo)致更大的耦合路徑，溫度測量系統(tǒng)將面臨更嚴(yán)峻的 EMI 挑戰(zhàn)。

采用 TVS 的系統(tǒng)級保護(hù)解決方案

瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 和限流電阻是最常見的保護(hù)元件。選擇合適的 TVS 和限流電阻不僅可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性，還可以保持系統(tǒng)的高測量性能。表 2 顯示了 TVS 器件的關(guān)鍵參數(shù)，包括工作峰值反向電壓、擊穿電壓、最大鉗位電壓和最大反向漏電。工作峰值反向電壓必須高于最大傳感器信號，以確保系統(tǒng)正常工作。擊穿電壓不應(yīng)遠(yuǎn)高于信號電壓，以避免產(chǎn)生寬的、不受保護(hù)的電壓范圍。最大鉗位電壓決定了 TVS 可以抑制的最大干擾信號電壓。反向漏電會對系統(tǒng)的測量誤差產(chǎn)生很大的貢獻(xiàn)，因此應(yīng)選擇反向漏電盡可能小的TVS。

表 2. TVS 關(guān)鍵參數(shù)

在正常工作條件下，TVS 器件對地阻抗較高。當(dāng)系統(tǒng)輸入端施加大于 TVS 擊穿電壓的瞬態(tài)電壓時，一旦 TVS 擊穿并提供低阻抗接地路徑，輸入端的電壓就會被鉗位，從而將瞬態(tài)電流從輸入端轉(zhuǎn)移到地。

如圖 2 所示，這是一個 3 線 PT-1000 保護(hù)電路。3 線 PT-1000 通過三個相鄰?fù)ǖ肋B接到 LTC2983，這些通道由 SMAJ5.0A TVS 和 100 Ω 限流電阻保護(hù)。限流電阻和下游電容器形成低通濾波器，以盡可能多地從輸入線路中去除 RF 分量，保持每條線路與地之間的交流信號平衡，并在測量帶寬上保持足夠高的輸入阻抗，以避免加載信號源。[2] 差模濾波器 –3 dB 帶寬為 7.9 kHz，共模濾波器 –3 dB 帶寬為 1.6 MHz。

該溫度測量系統(tǒng)已根據(jù) IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-3、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5 和 IEC 61000-4-6 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了測試。在這些測試中，系統(tǒng)必須正常工作并提供精確的溫度測量。受測傳感器為 B 類 3 線 PT-1000，使用約 10 米長的屏蔽線。

表3列出了IEC 61000-4-x抗擾度測試項目、測試等級以及系統(tǒng)受到EMI事件干擾時的溫度波動情況。

表 3.EMI 測試結(jié)果

TVS 和限流電阻有助于保護(hù)溫度測量系統(tǒng)免受 EMC 的影響。鉗位電壓最低的 TVS 可以更好地保護(hù)敏感電路。但它們反過來會給系統(tǒng)帶來誤差。為了解決這個問題，我們必須使用擊穿電壓更高的 TVS，因為擊穿電壓越高意味著正常工作電壓下的漏電流越小。TVS 的漏電流越低，系統(tǒng)產(chǎn)生的誤差就越少。

考慮到這些因素，我們使用了 Littelfuse SMAJ5.0A TVS(可在大多數(shù)電子元件分銷商處購買)和精度為 ±0.1% 的 100 Ω 限流電阻來保護(hù)系統(tǒng)并避免引入任何顯著的測量誤差。

為了實(shí)現(xiàn)較高的測量精度，我們使用精密電阻矩陣代替 PT-1000 傳感器并模擬溫度變化。此精密電阻矩陣已使用 Keysight Technologies 3458A 萬用表進(jìn)行了校準(zhǔn)。

為了減輕消除匹配引線電阻誤差的難度，我們采用4線配置來評估系統(tǒng)的精度性能。這更有利于消除傳感器誤差。

為了更準(zhǔn)確地計算系統(tǒng)誤差，我們需要使用與 LTC2983 相同的標(biāo)準(zhǔn)將電阻值轉(zhuǎn)換為溫度。傳感器制造商發(fā)布的溫度查找表是最準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)換方法。但是，將每個溫度點(diǎn)都寫入處理器的內(nèi)存是不明智的。

TVS 誤差貢獻(xiàn)和優(yōu)化配置

您可以從器件的數(shù)據(jù)表中找到 TVS 的 IV 曲線特性。但是，大多數(shù) TVS 制造商僅提供器件參數(shù)的典型值，而不是計算特定電壓下 TVS 的誤差貢獻(xiàn)(尤其是漏電流誤差)所需的所有 IV 數(shù)據(jù)。

本應(yīng)用使用了 Littelfuse SMAJ5.0A TVS。測試了一些樣品后，我們發(fā)現(xiàn)在 1 V 反向電壓下漏電流約為 1 μA，遠(yuǎn)低于 TVS 數(shù)據(jù)手冊中的最大反向漏電流。該漏電流會給系統(tǒng)帶來很大的誤差。但如果啟用 LTC2983 的激勵電流旋轉(zhuǎn)，漏電流誤差的影響將大大降低。

結(jié)論

溫度測量系統(tǒng)設(shè)計通常不被認(rèn)為是一項艱巨的任務(wù)。然而，對于大多數(shù)系統(tǒng)設(shè)計人員來說，開發(fā)一個高度準(zhǔn)確且堅固的溫度測量系統(tǒng)是一項挑戰(zhàn)。LTC2983 智能數(shù)字溫度傳感器可以幫助您克服這一挑戰(zhàn)，并創(chuàng)建一款可以快速上市的產(chǎn)品。

· 這款受保護(hù)的 LTC2983 溫度測量系統(tǒng)具有 ±0.4°C 的系統(tǒng)精度。測量誤差包括 LTC2983 誤差、TVS/限流電阻誤差和 PCB 誤差貢獻(xiàn)。

· LTC2983 輪換勵磁電流配置可以顯著降低保護(hù)元件漏電流誤差的影響。

· 盡管采用了最常見的保護(hù)措施，LTC2983 溫度測量系統(tǒng)仍能提供高 EMC 性能。EMI 測試結(jié)果見表 3。

本文給出了一些特定配置的精度和EMC性能測試結(jié)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(chǎn)要求。