2020 年的春天，注定會成為這一代地球村村民記憶中難以忘記的一個時期。隨著新冠病毒在全球范圍內(nèi)的肆虐，非接觸式的額溫槍 / 耳溫槍的需求一下子被引爆。在二月初，由于供需缺口巨大，原本一把幾十元的額溫槍被炒到 500 到 600 元人民幣的價格。巨大的利益也吸引了很多原本非醫(yī)用額溫槍和耳溫槍的電子行業(yè)生產(chǎn)商快速參與進來，從而帶動了額溫槍內(nèi)部元器件價格的暴漲。熱電堆傳感器，作為額溫槍的核心器件，其價格也從不到 10 元人民幣一路上漲至 110 元以上。額溫槍相關(guān)產(chǎn)業(yè)，在這個特殊時期名副其實地成為暴利行業(yè)。
巨大的商業(yè)利益下，很多新進入這個市場的企業(yè)只進行了潦草地研發(fā)就開始生產(chǎn)和銷售。這些良莠不齊的產(chǎn)品進入市場后，暴露了大量的應用上的問題。尤其是銷往國外的很多產(chǎn)品，出現(xiàn)了很多不符合當?shù)厥褂们闆r的問題，測溫結(jié)果完全無法達到醫(yī)用級要求精度，從而產(chǎn)生了被國外客戶要求退貨的情況。
如果我們把市場上各種不同的熱點堆傳感器的應用方案來整理一下，大致可以發(fā)現(xiàn)有這么幾種典型類型，以下我們一一來做分析。
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數(shù)字型輸出的熱電堆傳感器 + 低成本低功耗處理器方案
這個方案以 Melexis 的 MLX90614 和 MLX90615 這樣的數(shù)字輸出傳感器為代表。這兩個芯片的 FOV 視角不同，分別適用于額溫槍和耳溫槍。這種傳感器在出廠前已經(jīng)做了預校準，方案商做基本配置和簡單出廠校準就能直接從傳感器中得到目標溫度值和環(huán)境溫度值。對方案商來講，幾乎不需要對傳感器的特性和接口電路有深入理解，屬于傻瓜式的應用。然而，其高昂的售價幾乎讓額溫槍方案商感覺無利可圖，而且由于產(chǎn)能問題導致市場上缺貨嚴重。對于有設計能力的客戶來講，一般出于成本和產(chǎn)能的考慮，并不會將其作為主流方案。
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采用高精度自穩(wěn)零運放 + 低成本低功耗處理器方案
此方案原本并不是醫(yī)用級額溫槍和耳溫槍的主流成熟方案，但在疫情開始時期，由于元器件缺貨加上國內(nèi)幾個 MCU 方案商全力推進，該方案被很多新進入的客戶所采用和量產(chǎn)。而目前，這種方案暴露問題最多。在這里，我們從熱電堆傳感器信號調(diào)理的需求入手，來分析一下該方案的問題。
下表是一個熱電堆傳感器典型輸出電壓。在環(huán)境溫度為 25°C 時，對于人體的目標溫度（35~42°C 范圍內(nèi)），其傳感器輸出電壓的絕對值在 1mV 上下。目標溫度每變化 0.1°C，輸出電壓變化量基本上在 8uV 上下。
為了使熱電堆傳感器輸出可以被處理器內(nèi)部的 10 位~12 位單端輸入 ADC 所分辨，就必須對這個原始信號進行充分放大。下圖是采用分立運算放大器來進行信號放大并接口單端輸入 ADC 的典型電路（原圖摘自 TE 公司 Application Note - “THERMOPILE SENSOR FOR CONTACTLESS TEMPERATURE”）。
這個電路有以下幾個要求：
運放需要使用正向放大拓撲結(jié)構(gòu)。原因是熱電堆傳感器本身內(nèi)阻較高，所以需要傳感器接口電路必須是高阻輸入。而運放只有在正向放大電路的拓撲結(jié)構(gòu)下（如使用儀表放大器，其輸入級可看作兩個正向放大運放）才能保證高阻輸入。
需要偏置到大于 0V 的正電壓。而對于熱電堆傳感器來講，當測量目標溫度小于環(huán)境溫度時，其輸出是小于零的負電壓。這就需要把熱電堆傳感器的輸出負偏置到一個大于零伏的正電壓，才能保證熱電堆的輸出信號上的電壓大于 0V，并且可以被單極性供電的運放（正向放大拓撲）所接受。然而，由于處理器內(nèi)部的 ADC（尤其式低功耗+低成本的處理器），一般是單端輸入，范圍為 0~VREF 電壓的 SAR 型 ADC，所以偏置電壓本身的穩(wěn)定度就變得很重要。
運放自身的偏置（Offset）要很小，其全環(huán)境溫度測量范圍內(nèi)的偏置溫漂需要<=1uV。原因是熱電堆傳感器對應目標溫度 0.1°C 的分辨率其相應電壓變化量才幾個 uV，運放自身偏置帶來的影響必須小于這個值。
1/f 噪聲（0.1~10Hz 等效輸入 pk-pk 噪聲）需要在 1uV 級別。熱電堆應用是近直流的應用，所以在傳感器后面的處理算法中幾乎每個客戶都會增加濾波降噪算法來減少噪聲。但是 1/f 噪聲頻率太低（接近直流），所以該噪聲很難用低通濾波器（LPF）和數(shù)字低通濾波器有效去除。運放自身等效輸入 1/f 噪聲必須控制在遠小于 0.1°C 對應電壓，所以需要在 1uV 級別。
低功耗。對于運放來講，低功耗需求并非必須，因為可以用處理器控制一個 MOS 管來管理運放的供電，在不處理信號時切斷運放供電，以滿足系統(tǒng)低功耗需求。但這種解決方案，在一定程度上增加了系統(tǒng)復雜度和成本。所以低功耗運放當然也是方案中的更優(yōu)選擇。
在醫(yī)用級測溫方案中，大家會發(fā)現(xiàn)各個廠家的“XX8551”型號運放會被提及。溯源來講，ADI 公司的低壓自穩(wěn)零運放 AD8551 的各項指標基本都可以滿足這些需求，但并非所有 IC 公司的自穩(wěn)零運放“XX8551”都真實可靠地滿足這些指標。更加有趣的是，即使運放選擇沒有問題，還會有其他的系統(tǒng)問題，使得采用該方案的產(chǎn)品很難達到醫(yī)用級測溫的設計指標。
ADC 基準電壓。一般處理器內(nèi)部 ADC 的基準就是供電的 AVCC 電壓。如果客戶用電池直接作為 AVCC 電壓的話，那就意味著當電池被使用一段時間后電壓下降，ADC 基準電壓就發(fā)生變化了。也有客戶用 LDO 供出一個穩(wěn)定的 AVCC，但是 LDO 輸出電壓隨環(huán)境溫度的變化一般也沒有保證。從根本上來講，最佳方法是用一顆溫漂不錯的電壓基準來供給 ADC 基準，并且這個基準要滿足低靜態(tài)功耗和低溫漂要求，但實際上，客戶幾乎無法承受這樣的片外分立電壓基準的成本。
偏置電壓問題。如何保證偏置電壓和 ADC 的基準成比例漂移？偏置電壓漂移是單端 ADC 應用局限造成的。如果是差分輸入，就不會有這個問題。作為應對，有客戶使用 ADC 的一個通道去采這個偏置電壓，并在軟件中做數(shù)字差分，但兩個單端 ADC 通道的不一致性總會帶來一些問題。尤其是當 ADC 裸數(shù)據(jù)只差了 1 個 LSB 就可能對最后精度造成影響的情況下。
運放增益是使用電阻對配出來的，而電阻對的溫漂匹配度也需要考慮。
對于 NTC 采集環(huán)境通道的那一路，也推薦使用運放來做信號調(diào)理，從熱電堆傳感器原理來講，環(huán)境溫度采集精度事實上直接影響目標溫度的精度。
上述系統(tǒng)級問題加上運放本身的高要求，使得采用這種高精度運放+低成本處理器的方案難以真正達到醫(yī)用級額溫槍精度。或者即使勉強達到，其真實付出的硬件成本也并不低。這也是為何那些真正有歷史和經(jīng)驗的大廠對這一類方案并不感冒的原因。
3
采用內(nèi)部集成 PGA（差分儀表放大器結(jié)構(gòu)）的 18 位以上 Sigma Delta ADC + 處理器的方案
可能有人會質(zhì)疑，ADI 或者 TI 這些大廠的 24 位高精度 Sigma Delta ADC 太貴，不適合額溫槍這一準消費類應用。而事實上，原本在額溫槍和耳溫槍市場上的主力 24 位 Sigma Delta ADC，早就已經(jīng)大部分是大陸和臺灣廠商的天下。大陸的納芯微、芯海，臺灣的松翰，宏康等有 24 位 Sigma Delta ADC 技術(shù)的芯片廠家，其芯片價格都已經(jīng)很低，與分立的高精度自穩(wěn)零運放相比成本并沒有差多少，而其性能上的優(yōu)勢和系統(tǒng)上的好處顯而易見。這里就用納芯微的 NSA2300 信號調(diào)理芯片（ADC）來舉例，說明該方案和高精密運放的方案對比。
首先，NSA2300 是 Sigma Delta ADC，由于其數(shù)模轉(zhuǎn)換原理和數(shù)字濾波器的關(guān)系，一般在配置為較低輸出率（ODR）的情況下，可以保證很高的信噪比。比如，NSA2300 在配置為 32768 過采樣情況下，其輸入等效噪聲<80nV, 比 1uV 的要求小 10 倍以上，完全可以滿足熱電堆傳感器用于額溫槍的應用場合。
其次，類似 NSA2300 這樣的 ADC 其輸入一般為差分輸入。相對處理器內(nèi)部的單端輸入 ADC 而言，差分輸入的優(yōu)點是對于熱電堆信號負上的共模電壓，幾乎沒有任何精度上的要求。
類似 NSA2300 這樣的 ADC，一般內(nèi)部都集成一級有高增益（64x 或 128x 以上）和高輸入阻抗的 PGA。由于該類 ADC 其設計的應用場合以小電壓 DC 量為主（比如電子秤），所以一般都帶有斬波（chopping）功能以消除 PGA 偏置電壓自身漂移。NSA2300 的輸入，還可以開啟輸入正負極信號交換（SWAP）的特殊功能，如果使用軟件正負方向各采集一次來做平均抵消，完全可以在全溫度范圍內(nèi)做到輸入等效偏置電壓遠小于 1uV。
類似 NSA2300 這樣的 ADC，其內(nèi)部都帶有一個低溫飄電壓基準，并且該基準電壓一般為 1.8V 或者 2.5V。在 3V 電池供電的情況下，即使供電電壓有一定下降，對其基準影響也相當有限，這一特點可以保證客戶在電池供電不足的情況下依舊保證測量的精度。
類似 NSA2300 這樣的 ADC，其輸入通道一般不止一路。所以可以使用一路采集熱電堆的電壓信號，而用另一路來采集基于 NTC 的環(huán)境溫度。
NSA2300 有低功耗工作模式。在低功耗模式下，它只有在采樣時才打開內(nèi)部電路開始工作，完成采樣后立即進入低功耗休眠模式，其休眠靜態(tài)電流在常溫下僅 200nA，這樣可以保證使用在電池供電型手持額溫槍的長久使用時間。當然，這一特性并非所有 24 位 Sigma Delta ADC 都有。
所以，無論性能還是價格，使用片外 24 位高精度 Sigma Delta ADC 的方案才是目前最適合熱電堆傳感器應用的可行方案。
當然，前面分析只是針對硬件電路和硬件架構(gòu)。事實上，滿足醫(yī)用級額溫槍、耳溫槍精度要求的熱電堆傳感器應用,保證高精度不僅需要符合指標要求的硬件，更為重要的是軟件開發(fā)以及系統(tǒng)標定和校準。
從軟件層面來講，客戶都知道使用一個或兩個查找表來進行目標溫度檢測。但更重要的是，在軟件層面需要用更多的數(shù)字濾波器來幫助達到目標測量精度。比如，使用高階 IIR/FIR 濾波器，在進一步提高信噪比的同時，也可以幫助減小手持額溫槍進行測量時由于手抖或者待測目標不完全靜止帶來的影響。這樣的數(shù)字濾波器算法，其開發(fā)需要大量實驗數(shù)據(jù)支撐。
從標定層面來講，利用黑體和恒溫槽來做目標和環(huán)境溫度的標定是基本常識。可是，到底需要標定多少溫度點才能保證在寬范圍環(huán)境溫度下的醫(yī)用精度？從寒冷的俄羅斯，到酷熱的印度和非洲，出口額溫槍面臨的寬環(huán)境溫度范圍使用條件更為復雜和苛刻，這就需要對高低溫環(huán)境下的多溫度點標定花大功夫進行實驗和數(shù)據(jù)搜集。
當然，熱電堆傳感器生產(chǎn)廠商也在不斷做出技術(shù)迭代和創(chuàng)新。相信在不久的將來，更多熱電堆廠商會推出可直接輸出數(shù)字溫度的熱電堆傳感器，并將其價格推到更為合理的區(qū)間。到了那個時候，熱電堆傳感器應用門檻會進一步降低，熱電堆傳感器也會在更多的消費電子應用領域被大家使用起來。