개요: MAX16031/MAX16032 시스템 모니터는 원격 온도를 감지하는 외부 다이오드 연결 트랜지스터를 지원한다. 다이오드 연결 트랜지스터는 온도에 따라 달라지는 특성을 보이며, 이러한 특성은 간단한 과정을 통해 측정할 수 있다. 이들 특성은 트랜지스터 종류에 따라 조금씩 다르므로 MAX16031/MAX16032에서 정확한 온도 읽기를 생성하기 전에 캘리브레이션 과정을 수행해야 한다.
MAX16031/MAX16032 EEPROM 구성 가능 시스템 모니터는 복잡한 시스템에서 전압, 온도 및 전류를 모니터링하도록 설계되었다. EEPROM으로 구성 가능한 이들 소자는 동작 범위와 온도, 전압, 전류에 대한 상한 및 하한 제한, 오류 출력 구성 및 동작 모드를 선택할 때 많은 유연성을 제공할 뿐 아니라 소자 내에 이러한 값을 저장할 수 있다.
MAX16031은 최대 8개 전압, 3개 온도 (내부 온도 1개/외부 원격 온도 다이오드 2개) 및 단일 전류를 모니터링한다. MAX16032는 최대 6개 전압, 2개 온도(내부 온도 1개/원격 온도 다이오드 1개)를 모니터링한다. 모니터링되는 이들 파라미터는 각각 ADC로 다중화되고 해당 레지스터에 쓰여져서 SMBus™ 및 JTAG 인터페이스를 통해 다시 읽어올 수 있다.
외부 온도 센서를 위한 EEPROM에 있는 캘리브레이션 파라미터는 애플리케이션 회로에 사용되는 다이오드 종류에 따라 달라지므로 사용자가 설정해야 한다. 이 애플리케이션 노트에서는 외부 온도 센서 캘리브레이션 절차에 대해 설명하며, 온도를 측정하는 일반적인 2전류 방법을 간단히 소개하고 MAX16031/MAX16032가 사용하는 구체적인 2전류 구현에 대해 살펴본다. 또한 다이오드 연결 2N3904 트랜지스터를 사용하는 구체적인 캘리브레이션 절차를 제공한다.
온도 감지
모든 반도체 소자는 온도 종속성을 띤다. 순방향 바이어스 PN 접합부의 IV 곡선은 온도에 따라 크게 달라지므로 특별한 주의가 필요하다. 다음의 다이오드 방정식은 이러한 특성을 모델링한 것이다.
여기서 T는 켈빈 온도이며, n은 다이오드 이상 계수, k는 볼츠만 상수(1.38e-23), q는 전자의 전하(1.6e-19), VBE는 베이스 이미터 전압, IS는 역 포화 전류, I는 다이오드 전류이다.
온도를 감지하는 간편하고 정확한 방법은 2개의 서로 다른 전류를 다이오드에 통과시켜 각각의 전류에 대한 베이스 이미터 전압 간의 전압 차를 사용하는 것이다. 이렇게 하면 IS에 대한 종속성이 상쇄되고 베이스 이미터 전압 차와 온도 간의 관계가 뚜렷한 선형성을 이룬다. 다음 수식에서 두 전류 IH와 IL로 이를 나타내고 있다.
여기서 ΔVBE는 두 전류에서 베이스 이미터 전압의 차이며, IH는 둘 중에서 높은 인가 전류이고 IL은 낮은 인가 전류이다. 다른 파라미터는 이전과 같다. T의 값을 구하고 이를 섭씨 온도로 변환하면 다음과 같은 식이 나온다.
이 수식은 온도가 ΔVBE와 직접 비례한다는 것을 보여주는데, 그 비율은 물리적 상수, 다이오드 이상 계수 및 2개의 감지 전류 비에 의해 결정된다.
MAX16031/MAX16032 온도 감지
MAX16031/MAX16032는 2전류 기법을 사용하여 외부 온도 다이오드의 온도를 측정한다. 이 기법에 대해서는 마지막 부분에서 설명한다. ΔVBE를 디지털 코드로 스케일링하고 변환한 다음 소자는 -273.15도 오프셋에 해당하는 고정 코드를 뺀다. 그 결과 나오는 숫자는 분해능이 0.5°인 섭씨 온도로 표시된다.
서로 다른 다이오드 이상 계수를 캘리브레이션하기 위해서는 온도 감지 회로를 캘리브레이션할 필요가 있다. MAX16031/MAX16032에서는 각각의 외부 온도 센서에 대해 이득과 오프셋의 두 가지 캘리브레이션 값이 필요하다.
이득 값은 r19h[7:2](센서 1) 및 r4Fh[5:0](센서 2)에 저장되며 IH 전류를 제어한다(IL 전류는 6µA에 고정된다). 표 1은 각각의 이득 레지스터 비트에 대한 비트 가중치를 보여준다. 예를 들어 110000b 값은 84µA의 IH에 해당된다.
표 1. 이득 레지스터 비트 가중치
r19h[7:2], r4Fh[5:0] Bit
IH Value Added to 80µA (µA)
Logic '1'
Logic '0'
0
+0.25
0.0
1
+0.25
0.0
2
+0.5
0.0
3
+1.0
0.0
4
0.0
+2.0
5
+4.0
0.0
오프셋 값은 r1Bh[7:5](센서 1) 및 r4Dh[6:4](센서 2)에 위치하며 오프셋 오차를 보상하기 위해 온도 변환 결과에 더해진다. 표 2는 가능한 오프셋 값을 보여준다.
표 2. 오프셋 레지스터 값
r1Bh[7:5], r4Dh[6:4] Value
Offset (°C)
100
+8
101
+6
110
+4
111
+2
000
0
001
-2
010
-4
011
-6
MAX16031 EV 킷(EV kit)을 사용할 경우 소프트웨어에서 그림 1에 보이는 Temperature Settings 다이얼로그를 통해 각각의 캘리브레이션 레지스터에 간편하게 액세스할 수 있다. Current and Temperature 탭(그림 2)에서 청색의 External Temperature 1 또는 External Temperature 2 링크를 클릭하여 각 온도 모니터링 채널에 대한 설정 다이얼로그에 액세스한다.
그림 1. Temperature Settings 다이얼로그
그림 2. Current and Temperature 탭
정상 동작뿐 아니라 캘리브레이션 절차 중에도 내장된 디지털 온도 센서 필터를 사용하면 큰 도움이 된다. EV 킷 소프트웨어에서 Miscellaneous 탭에 있는 Temp sense filter time constant 드롭다운 목록에서 중앙 주파수를 선택한다. 이것은 표 3에 설명된 레지스터 r5Bh[6:4]에 해당한다.
표 3. 온도 센서 디지털 필터
r5Bh[6:4] Value
Cutoff Frequency (Hz)
000
Filter Disabled
001
2.53
010
5.06
011
10.1
100
20.2
101
40.5
110
81
111
162
캘리브레이션 절차
MAX16031/MAX16032의 온도 감지 회로를 캘리브레이션하려면 2개의 서로 다른 온도에서 데이터를 취해야 한다. 최적의 결과를 얻으려면 온도 차가 커야 한다. 단순 구현을 위해 첫 번째 온도는 +25°C로 할 수 있다. 보다 우수한 정확도를 얻으려면 두 번째 온도는 실내 온도보다 더 높아야 한다. +85°C 정도가 적당하다. 최상의 정확도를 얻으려면 데이터는 -40°C 및 +85°C에서 취해야 한다. 다음의 MAX16031 예에서는 +25°C 및 +85°C에서 캘리브레이션 데이터를 취하고 Fairchild 2N3904 트랜지스터를 다이오드 연결 구성으로 사용하여 콜렉터와 베이스를 함께 단락하였다.
최상의 결과를 얻으려면 캘리브레이션하는 센서를 온도 제어 용기의 비전도성 용액에 침수시켜야 한다. 광유와 같은 다른 용액도 사용 가능하지만 이 예에서는 Fluorinert™ FC-77을 사용하였다. 이 장치를 구입할 수 없는 경우에는 센서가 열 질량이 큰 금속 물체에 연결되어 있다면 상용 토스터 오븐도 충분하다. 이렇게 하면 캘리브레이션 동안 온도 안정성이 향상된다. 온도를 측정하기 위해 센서에 우수한 열 커플링을 갖는 정밀 서모커플을 사용한다.
다음 절차를 이용하여 캘리브레이션 데이터를 수집한다.
오프셋 레지스터가 영으로 설정되어 있는지 확인한다.
온도를 낮은 값으로 (이 예에서는 +25°C) 설정하고 안정화를 위해 충분히 시간을 준다.
이득 레지스터를 80µA로 설정한다.
MAX16031에 나타난 디지털 값을 기록한다.
가능한 모든 이득 레지스터 값에 대해 4단계를 반복한다.
온도를 높은 값으로 (이 예에서는 +85°C) 설정하고 안정화를 위해 충분히 시간을 준다.
3, 4, 5단계를 반복한다.
데이터가 수집되면 몇 가지 간단한 계산을 수행해야 한다. MAX16031로부터 수집된 각각의 온도에 대해 다음과 같이 오차 값을 계산한다.
TERR = TMAX16031 - TMEASURED
Eq. 4
다음으로 단일 이득 값에 대한 각 오차 값 사이의 차를 계산한다.
Δ = TERR_85 - TERR_25
Eq. 5
표 4는 이 예의 캘리브레이션 데이터를 보여준다. Gain Reg Code 및 Gain Value (µA)열은 헥사 코드와 그에 해당하는 전류 소스 값으로 이득 레지스터 설정을 보여준다. TMAX16031(°C)열은 낮은 온도(+25°C)와 높은 온도(+85°C)에서 각각의 이득 설정에 대한 MAX16031 온도 변환 결과 레지스터로부터 얻은 판독치를 보여준다. TERR(°C) 열은 MAX16031에 의해 기록된 온도와 실제로 측정된 온도 간의 오차(차)를 보여준다. Δ(°C)열은 높은 온도와 낮은 온도에서 기록된 오차 값 간의 차를 나타낸다.
표 4. 이 예의 캘리브레이션 데이터
Gain Reg Code
Gain Value (µA)
TMAX16031 (°C)
TERR (°C)
Δ (°C)
+25
+85
+25
+85
0x10
80
17.5
75
-7.5
-10
-2.5
0x12
80.25
17.5
75.5
-7.5
-9.5
-2
0x14
80.5
17.5
76
-7.5
-9
-1.5
0x16
80.75
18
76.5
-7
-8.5
-1.5
0x18
81
18.5
76.5
-6.5
-8.5
-2
0x1A
81.25
18.5
77
-6.5
-8
-1.5
0x1C
81.5
19
77.5
-6
-7.5
-1.5
0x1E
81.75
19.5
78
-5.5
-7
-1.5
0x0
82
20
78.5
-5
-6.5
-1.5
0x2
82.25
20
79
-5
-6
-1
0x4
82.5
20.5
79
-4.5
-6
-1.5
0x6
82.75
21
79.5
-4
-5.5
-1.5
0x8
83
21
80
-4
-5
-1
0xA
83.25
21.5
80.5
-3.5
-4.5
-1
0xC
83.5
22
81
-3
-4
-1
0xE
83.75
22.5
81.5
-2.5
-3.5
-1
0x30
84
22.5
82
-2.5
-3
-0.5
0x32
84.25
23
82
-2
-3
-1
0x34
84.5
23
82.5
-2
-2.5
-0.5
0x36
84.75
23.5
83
-1.5
-2
-0.5
0x38
85
24
83.5
-1
-1.5
-0.5
0x3A
85.25
24.5
83.5
-0.5
-1.5
-1
0x3C
85.5
24.5
84
-0.5
-1
-0.5
0x3E
85.75
25
84.5
0
-0.5
-0.5
0x20
86
25.5
85
0.5
0
-0.5
0x22
86.25
25.5
85
0.5
0
-0.5
0x24
86.5
26
85.5
1
0.5
-0.5
0x26
86.75
26.5
86
1.5
1
-0.5
0x28
87
26.5
86.5
1.5
1.5
0
0x2A
87.25
27
87
2
2
0
0x2C
87.5
27.5
87
2.5
2
-0.5
0x2E
87.75
28
87.5
3
2.5
-0.5
다음 작업은 이득 및 오프셋 캘리브레이션 파라미터를 찾는 것이다. Δ(°C)열에서 영에 가장 가까운 값을 갖는 셀을 찾는다. 이 경우 이득 설정이 87 및 87.25인 행이 영을 포함하고 있다. 이것은 기울기가 0인 상태에 해당하는 것으로 이득 오차가 무시할 수 있는 수준임을 의미한다. 다음으로 이들 행에 대한 TERR(°C)값에서 오프셋 레지스터를 사용하여 뺄 수 있는 오차 값을 포함하고 있는 행을 선택한다. 이 예에서는 '001'의 오프셋 레지스터 값이 이를 상쇄할 수 있는 2의 오프셋 오차를 갖는 행이 선택되었다.
이제 오프셋 및 이득 레지스터에 대해 얻은 값을 애플리케이션 회로에 사용되는 MAX16031 모니터의 EEPROM 구성 레지스터에 로드할 수 있다. 매번 동일한 값을 사용할 수 있으며 합리적 수준의 정확도를 얻을 수 있다.
정확도를 높이기 위해 보드 테스팅 시 각 유닛 회로에서 이득 파라미터를 프로그래밍할 수 있다. 정밀 서모커플을 소자 가까이에 배치하고 온도를 측정한다. MAX16031 온도가 측정 온도와 일치할 때까지 이득 레지스터 내용을 조정한다.
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