采用RTD的高EMC性能精密溫度測量解決方案
2022-03-28
作者：Jon Geng，ADI 應用工程師 ｜ Li Ke，ADI系統應用工程師 ｜ Karl Wei，ADI核心應用工程師
來源：ADI公司
簡介
您是否想過如何設計一個具有高電磁兼容性(EMC)性能的精密溫度測量系統？本文將討論精密溫度測量系統的設計考慮因素，以及如何在保持測量精度的同時提高系統的EMC性能。我們將以RTD溫度測量為例介紹測試結果和數據分析，以便我們能夠輕松地從概念開發出原型和產品并走向市場。
精密溫度測量和EMC挑戰
溫度測量是模擬領域中最常用的一項檢測技術。許多測量技術可用來檢測環境溫度。熱敏電阻是一種小尺寸且簡單的2線制方案，具有快速響應時間，但其非線性和有限的溫度范圍限制了其精度和應用。RTD是最穩定、最精確的溫度測量方法。RTD設計的難點在于需要外部激勵、復雜電路和校準。沒有溫度測量系統開發經驗的工程師可能會氣餒。熱電偶(TC)可以提供堅固耐用、便宜、不同測量范圍的解決方案，但完整的熱電偶測溫系統需要冷端補償(CJC)。與熱敏電阻、TC和RTD相比，新型的數字溫度傳感器可以直接通過數字接口提供校準的溫度數據。精密溫度測量需要高精度溫度傳感器和精密信號鏈來構成一個溫度測量系統。TC、RTD和數字溫度傳感器的精度最高。精密信號鏈器件是可以獲得的，可用來收集這些傳感器信號并將其轉換為絕對溫度。在工業領域，達到0.1°C的精度是我們的目標。這種精度測量不包括傳感器誤差。表1比較了不同類型的溫度傳感器。
RTD溫度測量解決方案
以LTC2983溫度測量AFE為例。系統控制器可以通過SPI接口直接從LTC2983讀取校準的溫度數據，精度為0.1°C，分辨率為0.001°C。連接4線RTD時，激勵電流旋轉功能可以自動消除熱電偶的寄生效應，并降低信號電路漏電流的影響。基于這些特性，LTC2983可以加速多通道精密溫度測量系統的設計，實現高EMC性能而無需復雜的電路設計，讓您和您的客戶更有信心。圖2顯示了EMC保護的LTC2983溫度測量系統框圖。
2線和3線RTD傳感器還可以在PCB上使用開爾文配置。當需要將限流電阻和RC濾波器添加到信號鏈路以保護器件的模擬輸入引腳時，這些額外的電阻會引入很大的系統失調。例如，用4線開爾文配置取代2線保護電路可以幫助消除該失調，因為激勵電流不會流過這些限流電阻和RC濾波器，保護電阻引起的誤差可以忽略不計（參見圖4）。欲了解更多信息，請參閱LTC2986數據手冊。
正常工作條件下，TVS器件表現出很高的對地阻抗。將一個大于TVS擊穿電壓的瞬變電壓施加于系統輸入端時，一旦TVS被擊穿，輸入端電壓就會被箝位并提供低阻抗接地路徑，將瞬變電流從輸入端轉移到地。
圖2所示為3線PT-1000保護電路。3線PT-1000通過三個相鄰通道連接到LTC2983，其受到SMAJ5.0A TVS和100Ω限流電阻的保護。限流電阻和下游電容形成低通濾波器，以盡可能多地消除輸入線路中的RF成分，使每條線路和地之間的交流信號保持平衡，并在測量帶寬上維持足夠高的輸入阻抗以避免加載信號源2。差分模式濾波器的-3 dB帶寬為7.9 kHz，共模濾波器的-3 dB帶寬為1.6 MHz。
該溫度測量系統依據IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-3、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5和IEC 61000-4-6標準進行了測試。在這些測試下，系統必須正常工作并提供精確的溫度測量。被測傳感器是B類3線PT-1000，其使用約10 m長的屏蔽線。
表3列出了IEC 61000-4-x抗擾度測試項目、測試電平和系統受EMI事件干擾時的溫度波動。圖6顯示了測試時的輸出溫度數據曲線，其對應于表3中的最大溫度波動。
增加保護后的溫度測量精度
TVS和限流電阻有助于保護溫度測量系統不受EMC影響。箝位電壓越低的TVS，越能保護敏感電路。但反過來，它們可能產生系統誤差。為了應對這種情況，我們必須使用具有更高擊穿電壓的TVS，因為更高的擊穿電壓意味著在正常工作電壓下漏電流更少。TVS漏電流越低，則給系統增加的誤差越小。
作者簡介
Jon Geng于2018年加入ADI公司，現為中國核心應用中心的應用工程師。他的專業領域是開關、MXU、基準電壓源、溫度傳感器和煙霧檢測。Jon于2018年從貴州大學獲得機械工程碩士學位，于2015年從河北師范大學獲得電子工程學士學位。
Li Ke是位于愛爾蘭利默里克的自動化與能源事業部的系統應用工程師。Li于2007年在中國上海加入ADI公司，擔任精密轉換器產品線產品應用工程師。此前，他曾在Agilent Technologies公司的化學分析部門擔任過四年的研發工程師。他于1999年獲得西安交通大學電子工程學士學位，并于2003年獲得西安交通大學生物醫學工程碩士學位。
Karl Wei于2000年加入ADI公司，現為中國核心應用團隊的系統應用經理。他的專業領域是工業應用中的精密信號鏈。此前，他在IC測試開發工程和營銷領域工作了8年。他于1992年畢業于哈爾濱工業大學，獲得電氣工程碩士學位。
