多功能温度监控器ADT14的开发与应用(图)

1．概述
　　各种家用电器和工业设备如空调机、电冰箱、电风扇、电暖气、电烤箱、电热饮水机、孵卵器，等等，都与温度或气温变化有关，经常需要根据温度变高或变低进行开机或者关机控制，这就必须要有检测温度的热敏传感器和开关控制器。以前常用功能单一的集成电路或半导体分立件甚至机械式传感器设计电路，使得电路复杂、体积大、低、成本高、寿命短。如果采用ADI公司为此开发的专用芯片来实现，则可以克服上述缺点。
　　ADT14是美国模拟器件公司(ADI)研制的一种温控开关(或温度监控器)，不仅可以满足上述需要，还可用于基于电脑的产品中，能够为低功耗微控制器MCU、微处理器MPU或数字系统监视环境温度。将热敏传感器和开关控制电路集成到一片16脚封装的小芯片内，与采用分立元件或通用芯片构成的电路相比，大大减小了系统电路的复杂性和元器件的数量，显著提高了系统可靠性和度。
　　主要应用于：温度过高或过低检测和报警；电路板级温度探测；温度控制；电子恒温器；过热保护；温度遥测；工业过程控制；监控PC机中的微处理器；监控功放机中的功率器件；风扇控制；家用电器；充电器过热保护等。
　　主要特点：监测温度范围宽，并可用外接电阻自由设定温控点（从-40℃到+125℃）；温控点典型值±3℃；与温度成比例的电压输出，比例因子+5mV/K；5mA集电极开路输出；TTL/CMOS电平兼容；可调节的温度迟滞；内设2.5V电压参考源；单电源工作（4.5～5.5V）；静态电流仅为0.6mA；8脚DIP、SOIC两种封装。

2．内部结构和引脚功能
　　ADT14芯片的内部结构功能方块图如所示，主要包含：电压参考源、正温度系数温度检测器、电压比较器、迟滞电路和输出电路等，ADT14各引脚功能见表1。

3．功能描述
　　ADT14芯片实际上是一种半导体温度传感器和温度控制器多功能器件，它有5个输出脚，1个脚输出正比于温度的电压，另外4个脚输出逻辑电平控制信号。4个温控点和温度迟滞都可以由用户通过外接电路自行设置。
　　ADT14芯片内部集成了1个带隙电压参考源和4个电压比较器，参考源产生一个恒定的2.5V电压和一个与温度成正比的电压信号VPTAT，温度系数（或称比例因子）典型值为+5mV/K=+5mV/(℃+273.15)。当温度为+25℃时VPTAT为1.49V。4个电压比较器在结构上和功能上都相同，也没有先后顺序之分。通过比较器，将VPTAT电压信号与2.5V电压参考源外接电阻分压支路设定的温控点（分压值）进行比较，当高出设定温度值时就会输出控制信号。按用户需要，电阻分压支路可以设置1个到4个电压参考点作为温控点。每个比较器的输出端都连接一只集电极开路晶体管，该管可以提供吸入5mA电流的驱动能力。
表1 引脚功能

　　还有一个片内迟滞效应产生电路，用于加速温控点上输出信号的跃变，也可以降低噪声环境下输出的不稳定性。迟滞量的大小可以用外接电压来设定，该电压可以调整用于产生迟滞偏置电压的迟滞电流。该电流由内部镜像电路（电流镜）产生一个镜像电流，由该电流产生一个极性可变的迟滞偏置电压，叠加在2.5V的参考源之上，为并行连接的4个比较器的输入端提供基准电压。
　　ADT14采用技术集成的温度特性优良的薄膜电阻，再结合激光校准技术，确保ADT14在标称温度范围内具备典型值为±3℃的温度度和良好的线性。集电极开路输出端能够吸入5mA的负载电流，可以直接驱动小型继电器或发光二极管LED指示灯。工作在5V电源下，静态电流值仅为0.6mA。

4．特性参数
　　ADT14的极限参数如表2所示。

5．使用说明
　　5.1温控点设置
　　在ADT14作为温度监控器的基本应用电路中，仅需用几只电阻串联成一个分压支路，以VREF为电压源，分别设置4个温控点的电压即可。这几只电阻按以下顺序确定。
　　(1)选择分压电路结构，为并联式（各温控点电压可独立调节）、串联式或混联式；
　　(2)确定所需温控点的温度和个数；
　　(3)计算各温控点电压；
　　(4)确定VREF负载电流IL；
　　(5)计算各电阻阻值。
　　以下以(a)所示的混联式电路为例计算各电阻的阻值：
　　对于SET4，T4=100℃；VSET4=(T4+273.15)(5mV/K)
　　对于SET1，T1=75℃；VSET1=(T1+273.15)(5mV/K)
　　选择IL1=25μA，则
　　R1=(VREF-VSET4)/IL1
　　R2=(VSET4-VSET1)/IL1
　　R3=VSET1/IL1
　　对于SET3，T3=50℃；VSET3=(T3+273.15)(5mV/K)
　　对于SET2，T2=10℃；VSET2=(T3+273.15)(5mV/K)
　　选择IL2=25μA，则
　　R4=(VREF-VSET3)/IL2
　　R5=(VSET3-VSET2)/IL2
　　R6=VSET2/IL2
　　在上例中，将SET4设置为高端温控点，后面依次为SET1、SET3、SET2，该顺序可由用户随意改变，原因是4个比较器完全相同。不过，应确保总的等效电阻不小于12.5kΩ，这样将保持VREF端的负载电流不超过200μA。为了避免产生误差，一般选择50μAL=( IL1+ IL2)<200μA。
　　如果4个温控点设置完成后不需要改变，可以选择串联式电路，如(b)所示。各电阻的阻值为：
　　R1=(VREF-VSET4)/IL
　　R2=(VSET4-VSET1)/IL
　　R3=(VSET1-VSET3)/IL
　　R4=(VSET3-VSET2)/IL
　　R5=VSET2/IL
　　5.2温度迟滞
　　在中示出了迟滞效应的“电压—温度”关系图。迟滞的大小是可以由用户按需要设置的，其方法是用外接短路线或外接电阻把HYS端接参考电压VREF或接地GND或悬空。当11脚连接VREF、悬空或接地时，迟滞温度分别为0.65℃、1.5℃和5℃，而且各个温控点的迟滞大小一致。
　　迟滞量的大小也是连续可调的。如所示，如果在HYS端和VREF端之间跨接一只可变电阻，迟滞就可以在0.65℃到1.5℃之间选择，阻值计算公式为：R1=[57.5/(1.5-TH)]-57.5，其中TH为迟滞温度；如果在HYS端和GND端之间跨接一只可变电阻，迟滞就可以在1.5℃到5℃之间选择，阻值计算公式为：R2=[57.5/(TH-1.5)]-57.5。
　　5.3自加热效应
　　在一些应用中，用户应该考虑输出级功耗引起的自加热效应，每个集电极开路输出管能够连续吸入5mA的负载电流。在满负荷情况下，ADT14输出级的功耗为：
　　PD=0.6×5×4=12mW
　　对于贴片式封装SOIC的ADT14，由自加热引起的温度增加量为：
　　△T=PD·JA=0.012×81=0.97℃
　　自加热效应会直接影响ADT14的度，并且自加热效应将会抬高温控点温度。如果利用安装散热器的方法，可使热阻显著下降（对于SOIC封装的热阻θJC为27℃/W），从而可使自加热效应大幅度地降低。

6．应用两例
　　6.1智能温度控制系统
　　ADT14与8051或其他新型微控制器结合就产生了一个功能强大的温度控制器。例如，通过使用数控电位器AD8403等，用户就可以借助于PC机或触摸面板自动设置温控点。ADT14的输出信号被回送到微控制器，以便监测温控点输出端是否发生反转。高端的温控点输出数据可以用于开启冷却电扇以及设置其高、低档转速；低端的温控点输出数据可以用于开启加热电炉，以及设置其高或低两档的加热功率。
　　AD8403片内包含4只可变电阻，通过三线同步串行接口进行控制。在中，串联4只内部电阻和1只外接电阻构成分压支路，为ADT14设置4个温控点。微控制器中操作AD8403的程序可以设置为，不能使电位器滑动端超出边界。AD8403还有一个节能控制脚，当该脚加低电平时，可使其功耗降低到10nA（典型值），此时内部的存储器仍然保持对电位器设置参数的记忆。

　　6.2温控点输出端信号叠加控制功率
　　人们经常希望按照环境温度的变化对一种电器的功率进行等级控制。譬如，在用功率可控制的电炉对一种液体加热的过程中，当液体温度比温控点温度还低时，就给电炉输送满功率（100%），使温度以快的速度上升；当液体温度超过温控点时，就将给电炉输送功率减小到75%，以降低温度上升的速度；当液体温度超过第2个温控点时，进一步降低输送给电炉的功率，即50%；直到液体温度超出温控点时，输送给电炉的功率降低到0%，而停止加热。
　　就是实现上述功能的电路。温度控制以25%为梯度共分4档，电路中使用了一片高、满幅度输出的双运放OP284，其前接成反相加法器，后接成电压/电流变换器。

参考文献：
[1]. ADT14 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ADT14_124849.html.
[2]. SOIC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/SOIC_1182477.html.
[3]. AD8403 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/AD8403_250277.html.
[4]. OP284 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/OP284_523859.html.
[5].美国模拟器件公司，1999年产品资料全集
[6].李学海，I2C接口数控电位器E2POT --X9241及其应用工控电子，1999.4