運用RTD打造具備高EMC效能的精準溫度量測解決方案

Jon Geng, Li Ke, 和 Karl Wei

介紹

你是否想過如何設計具備高電磁相容性(EMC)的精準溫度量測系統?本文將探討精準溫度量測系統的設計考量因素，以及如何提升系統的EMC效能，同時維持量測的精準度。文中還會介紹測試結果以及資料分析內容，讓我們很容易從概念轉移到原型，以及從概念轉移到市場產品，文中將舉RTD溫度量測為例。

精準溫度量測與EMC的挑戰

溫度量測是類比世界中最常用的其中一種感測技術。許多量測技術可用來感測週遭溫度。熱敏電阻是一種構造簡單的小型2線式元件，具備快速反應，但其非線性與有限的溫度量測範圍，使它在精準度與應用範疇面臨限制。電阻溫度檢測器(RTD)是最穩定且最精準的溫度量測方法。RTD設計的難處在於它需要外部刺激、複雜電路、以及校正步驟。熱電隅(TC)能提供強固、平價解決方案，涵蓋不同溫度範圍，但需要冷接點補償(CJC)機制才能建構出完整的系統。相較於熱敏電阻、熱電隅、以及電阻溫度感測器，數位溫度感測器擁有最高的準確度。市面上的精準訊號鏈元件可用來蒐集這些感測器訊號，並轉換成絕對溫度數值。在工業領域，我們的目標是達到攝氏0.1度的準確度。這種準確量測並不包含感測器誤差。表1比較不同種類的溫度感測器。

表1. 比較不同種類的溫度感測器

溫度感測器種類	優點	缺點
熱敏電阻	簡單二線式元件，快速反應、小型化尺吋	非線性，有限溫度量測範圍，不如TC與RTD強固，需要刺激源，由於自加熱(self-heating)導致量測不準確
電阻溫度感測器	最穩定，最準確、強固、容易連結與建置	需要外部刺激，非線性，因自加熱導致量測不準確
熱電隅	強固、自供電、平價、支援可變範圍 (J, K, T, E, R, S, B, N)、適合長距離傳輸	非線性、需要冷接點補償(CJC)、低輸出範圍要求低雜訊/低漂移電子元件、準確度1%至3%
IC 溫度感測器	完全校正、線性、穩定、類比與數位輸出	有限的溫度範圍

在開發數位溫度量測系統，尤其是瞄準工業與軌道運輸這類惡尖環境應用，除了要考量準確度與設計難度，還要考量EMC效能這項維持系統穩定的關鍵特性。系統需要額外的電路與分立元件來提升EMC效能。然而，更多的保護元件也表示會有更多誤差來源。因此，要設計出具備高感測準確度與高EMC效能的溫度量測系統，著實是一項艱鉅的挑戰。溫度量測系統的EMC效能決定了系統是否能在指定的電磁環境中正常運作。

ADI 推出各式各樣的溫度量測解決方案，包括像精準的類比數位轉換器(ADC)、類比前端(AFE)、IC溫度感測器等。ADI AFE解決方案針對直接TC量測、直接RTD量測、直接熱敏電阻量測提供多重感測器型態的高精準數位溫度量測系統，並支援各種客製化感測器應用。此外某些特殊組態不僅能協助維持高量測準確度，還增加許多EMC保護元件。圖1顯示典型比例溫度量測(ratiometric)度量溫度電路與公式。

以下章節介紹溫度感測解決方案，引導系統設計者達成最佳EMC效能。

RTD 溫度量測解決方案

我們以 LTC2983 溫度量測AFE元件為例。這款系統控制器能透過SPI介面直接從LTC2983讀取校正後的溫度資料，準確度達攝氏0.1度，解析度為攝氏0.0001度。當連接4線式RTD後，激勵電流輪轉(rotation)方法會自動消除熱電隅的寄生效應，並減輕訊號電路漏電流的效應。基於這些功能，LTC2983能協助業者加速設計多通道精準溫度量測系統，無需複雜的電路設計就能達到高EMC效能，讓你與你的客戶更有信心。圖2顯示EMC保護型LTC2983溫度量測系統的模塊圖。

RTD無疑是高準確度溫度量測的最佳選擇，量測範圍從攝氏零下200度到攝氏800度。100 Ω 與1000 Ω電阻值的白金RTD是最常見的元件，不過也可採用鎳或銅材質製造。

最簡單的RTD溫度量測系統是二線式組態，但引線電阻(lead resistance)會產生額外的系統溫度誤差。三線式組態可為RTD連接兩個匹配的電流源藉以消除引線電阻，但前提是引線電阻必須相同才行。Kelvin組態或四線式組態可消除平衡或非平衡引線電阻，運用高阻抗Kelvin感測技術直接從感測器進行量測。然而，要付出的代價則是四線式組態的主要限制，因為需要更多線路，尤其是遠端溫度量測。圖3顯示不同的RTD線路組態¹。考量實際客戶使用情境，本文選用三線式RTD組態，並測試其EMC效能。

二線與三線RTD感測器亦可在電路板上採用Kelvin組態。當我們需要在訊號鏈路中加入限流電阻與RC濾波器來保護元件的類比輸入腳位，這些額外的電阻就會產生大量的系統偏移。舉例來說，把二線保護電路換成四線Kelvin組態就有助於消除這種偏移，因為激勵電流不會經過這些限流電阻與RC濾波器，而保護電阻造成的誤差則可忽略不計(見圖4所示)。詳情請參閱 LTC2986 資料表。

溫度量測系統面臨哪些強固性挑戰?

如同大多數溫度量測IC，LTC2983能耐受超過2 kV的人體放電模式(HBM)靜電放電。但在工業自動化、軌道運輸、以及其他嚴苛電磁環境上，電子裝置必須面臨更高強度的干擾以及更複雜的EMC事件，像是靜電放電(ESD)、電氣快速暫態脈衝(EFT)、輻射敏感性(RS)、傳導干擾性(CS)、以及突波。因此需要額外的分立式保護元件，藉以降低下游元件造成破壞風險，以及改進系統的強固性。

EMC事件的三個元素包括雜訊源、耦合路徑(coupling path)、以及接收器。如圖5所示，在這個溫度量測系統中，雜訊源來自周圍環境。耦合路徑是感測器線路，而LTC2983則是接收器。工業自動化與軌道運輸一向都採用冗長的感測器佈線來感測遠端元件的溫度。感測器佈線的長度可能為數公尺或甚至數十公尺。更長的佈線會導致更長的耦合路徑，而溫度量測系統就會面臨更嚴峻的EMI挑戰。

採用TVS的系統層級保護解決方案

瞬態電壓抑制器(TVS)與限流電阻是最常見的保護元件。選擇適合的TVS與限流電阻不僅能改進系統強固性，還能維持系統的高量測效能。表2顯示TVS元件的關鍵參數，其中包括逆向電壓、崩潰電壓、以及最大嵌位電壓的工作峰值(working peak)。逆向電壓的工作峰值必須高於感測器訊號的最大值，這樣才能確保系統的運行正確。崩潰電壓不應高過訊號電壓過多，藉此避免產生範圍太大的未保護電壓。最大嵌位電壓決定TVS能夠抑制的最大干擾訊號電壓。由於逆向漏電流會大幅增加系統的量測誤差，因此應選用逆向漏電流最小的TVS。

表2. TVS 關鍵參數

參數	描述
逆向電壓的工作峰值	低於此值的電壓沒有顯著的傳導
崩潰電壓	觸發指定傳導狀態的電壓
最大嵌位電壓	當傳導指定最大電流時通過元件的最大電壓
最大逆向漏電流	在觸發狀態之前TVS導入最大電壓時的漏電流

在正常的工作條件下，TVS元件有相當高的對地阻抗(impedance to ground)。當瞬時電壓(transient voltage)高過傳入系統輸入端的TVS崩潰電壓，輸入端的電壓會在TVS崩潰時立即嵌位(clamped)，並提供低阻抗的接地路徑，將暫態電流從輸入端導向接地。

如圖2所示，這個三線式PT-1000保護電路。三線式PT-1000連到LTC2983，連結使用的三個鄰近通道受到SMAJ5.0A TVS 以及一個100 Ω限流電阻提供保護。限流電阻以及下游的電容構成一個低通濾波器，用來盡可能減少輸入線路RF元件; 維持每條線路與接地端之間的AC訊號平衡; 以及維持量測頻寬有足夠的輸入阻抗，防止載入訊號源²。差模濾波器–3 dB 頻寬為7.9 kHz，而共模濾波器–3 dB 為1.6 MHz。

在這些測試中，系統必須正常工作並提供精準溫度量測功能。接受測試的是Class B 三線式 PT-1000，採用長度約10公尺的屏蔽線。

表3 列出IEC 61000-4-x 雜訊抗擾性測試項目、試驗位準(test level)、以及系統受到EMI事件干擾時產生的溫度變動(fluctuation)。圖6顯示受測時的輸出溫度資料曲線，結果與表3最大溫度變動相對應。

表3. EMI 測試結果

IEC 61000-4 瞬態	保護位準	最大溫度變動 (°C)
RS	10 V/m, 80 MHz 至約1 GHz，以及1.4 GHz 至大約2 GHz	<0.5
CS	10 V, 0.15 MHz至大約80 MHz	<0.2
ESD	±8 kV, 傳導; ±15 kV，空氣	<0.15
EFT	±4 kV, 5 kHz	<0.15
突波	±4 kV, 1.2/50 (8/20) μs	<0.2

受到保護之後的溫度量測準確度

TVS以及限流電阻能協助溫度量測系統防護EMC。TVS結合最低嵌位電壓，能更佳保護敏感電路。但它們也會對系統產生量測誤差。為抵銷這些缺點，我們必須為TVS採用更高的崩潰電壓，因為更高的崩潰電壓表示在額定工作電壓下漏電流會比較少。TVS較低的漏電流使得系統增加的誤差得以縮減。

表4. Littelfuse SMAJ5.0A TVS電氣特性

考量這些因素，我們採用Littelfuse SMAJ5.0A TVS，在大多數電子元件經銷商都能買到這款元件，另外再用一顆正負0.1%準確度的100 歐姆限流電阻來保護系統，防止插入任何顯著的量測誤差。

為達到高量測準確度，我們採用一個精準的電阻矩陣來取代PT-1000，以及模擬溫度的變化。這個精準電阻矩陣經過Keysight Technologies 3458A萬用電表的校準。

為降低消除匹配引線電阻誤差的難度，我們採用四線式來評測系統的準確度效能。這麼做更有助於消除感測器誤差。

為更準確計算系統誤差，我們需要運用和LTC2983相同的標準將電阻值轉換成溫度。感測器製造商公布的溫度查表是最準確的轉換方法。然而，把每個溫度數據點寫入處理器記憶體卻是不智的作法。因此，我們採用以下公式來計算溫度結果³。

當T > 0°C，公式為:

 

 

計算出對應電阻值的溫度:

 

 

當T ≤ 0°C，公式變成:

 

 

溫度是用多項式擬合法(polynomial fitting)推算求得:

 

 

這裡的:

T 是RTD 的溫度，單位為攝氏°C.

R_RTD(T) 是 RTD 電阻，單位為歐姆 Ω.

R₀ 是攝氏0度時 RTD電阻，R₀ = 1000 Ω.

A = 3.9083 × 10^–3

B = –5.775 × 10^–7

C = –4.183 × 10^–12

圖7顯示在攝氏零下134到攝氏607度範圍內總系統誤差沒有超過正負攝氏0.4度。對比圖9，該圖顯示LTC2983對RTD溫度量測造成的誤差，額外的保護元件讓系統誤差增加約攝氏正負0.3度，尤其是TVS漏電流。我們可看到隨著溫度升高，系統誤差也跟著增加。在這裡，TVS的電流-電壓曲線特性開始顯現。

系統誤差可用以下公式計算:

 

 

這裡的:

T_error 是造成的LTC2983溫度量測系統輸出誤差，單位為攝氏°C

T_cal 是精準電阻計算出的溫度，該數據經過Keysight Technologies 3458A 電表校準，單位為攝氏°C

T_LTC2983 是 LTC2983輸出溫度，單位為攝氏°C

圖8告訴我們系統峰對峰雜訊不會超過攝氏正負0.01度。這個結果與資料表相符

TVS誤差組成與優化組態

大家可從元件資料表找到TVS的電流-電壓曲線特性。然而，大多數TVS製造商只針對元件參數提供額定值- 而不是所有的電流-電壓資料，你需要這些資料來計算TVS在特定電壓下的誤差組成(error contribution)，尤其是漏電流誤差。

這個應用中採用Littelfuse SMAJ5.0A TVS。在測試一些樣本後，我們發現漏電流在1V逆向電壓下約1微安培，遠低於TVS資料表的最大逆向漏電流。這個漏電流造成大部分的系統誤差。但如果啟動LTC2983的激勵電流輪換程序，漏電流誤差效應就會大幅降低。圖10顯示激勵電流輪換組態以及TVS漏電流。

當 R_sense 和經過RTD的激勵電流相同，RTD電阻 RT 可用以下公式算出⁴:

 

 

當使用激勵電流輪換組態計算順向激勵流(如圖10(a)所示)，RTD電阻R_RTD1的計算公式為:

 

 

 

 

 

 

這裡的:

R_sense 是感測電阻的真實阻值

R_RTD 是RTD在量測週期中的真實阻值

V_sense1 是感測電阻上測得的電壓值

V_RTD1 是RTD在順向激勵流週期量到的電壓值，如圖10(a)所示

R_RTD1 是RTD在順向激勵流週期的計算值

當使用激勵電流輪換組態計算逆向激勵流(如圖10(b)所示)，RTD電阻R_RTD2 的計算公式為:

 

 

 

 

 

 

這裡的:

V_sense2 是感測電阻量到的電壓值

V_RTD2 是RTD在逆向激勵流週期量到的電壓值，如圖10(b)所示

R_RTD2 是RTD在逆向激勵流週期的計算值

根據TVS量測資料，在2伏逆向電壓下，最大漏電流與最小漏電流之間的差距平均約為10%。4個TVS的位置與匹配度(matching degree)可能導致系統誤差提高到極大的程度。為反映哪方面的誤差最大，我們假設I_TVS為平均漏電流，而I_TVS1 = I_TVS2 = 0.9 × I_TVS，另外I_TVS3 = I_TVS4 = 1.1 × I_TVS。

 

 

 

 

如果你沒有採用激勵電流輪換組態， 那麼R_RTD1 或R_RTD2 就會含有最大TVS 誤差組成

or 為誤差因子(error factor)

當採用激勵電流輪換組態時，最終計算的結果會是

 

 

 

 

 

 

 

 

當Error(R_RTDROT) = min {Error(R_RTD1), Error(R_RTD2)}，那麼Error (R_RTDROT) 會等於 Error (R_RTD1) 抑或Error(R_RTDROT) 會等於 Error(R_RTD2)。根據Equation 13 到Equation 18，當 I = 6 × I_TVS，Error (R_RTDROT) 會等於 min {Error R_RTD1), Error R_RTD2 }. 當I_exc = 6 × I_TVS，系統準確度會因TVS漏電流而降低16.7%

根據組態以及測試結果， I_exc > 6 × I_TVS，因此

 

 

通常 I_exc > 100 × I_TVS。圖11 顯示系統誤差，這裡的:

R_RTDROT 是最終RTD電阻計算結果，採用激勵電流輪換法

Error(R_RTDROT) 是TVS誤差組成，採用激勵電流輪換組態，單位為攝氏°C

Error(R_RTD1) 與Error(R_RTD2) 為TVS誤差組合，沒有採用輪換組態，單位為攝氏°C

上述的推導告訴我們激勵電流輪換組態能減少TVS漏電流誤差組成。以下測試結果也確認我們的判斷。

圖11顯示在不同激勵電流模式與TVS組態下的系統誤差。如圖所示，當沒有使用TVS時，輪換與非輪換組態下的系統準確度大致相同。然而，若是自動啟用電流輪換則能消除寄生熱電隅效應，更詳細的描述可參閱 LTC2983 資料表。當使用TVS來保護系統時，總系統誤差會升高。但激勵電流輪換組態能大幅降低TVS漏電流的誤差影響，因此有助於在大多數溫度量測範圍內達到類似非TVS保護系統的準確度。相較於沒有採用TVS的系統，額外的誤差來自TVS元件對元件的製造變異。

總結

溫度量測系統的設計通常不會被認為是一項困難的任務。然而，對大多數系統設計者而言，要開發一個高準確度且強固的溫度量測系統卻是一大挑戰。LTC2983智慧數位溫度感測器能協助設計者克服這項挑戰，開發出能更快上市的產品。

• 這款受保護的LTC2983溫度量測系統擁有±0.4°C的系統準確度。量測誤差包含LTC2983本身誤差、TVS/限流電阻誤差、以及印刷電路板誤差組成。
• LTC2983輪換激勵電流組態能大幅降低保護元件的漏電流誤差效應。
• 不論採用何種最常見保護措施，LTC2983溫度量測系統都能提供高EMC效能。請參閱表3的EMI測試結果。

本文介紹一些特定組態的準確度與EMC效能測試結果。設計者可以選用不同TVS元件與限流電阻取得不同的量測準確度與EMC效能，藉以因應各種保護需求。

參考資料

¹ Logan Cummings. "Robust Industrial Sensing with the Temperature-to-Bits Family." Journal of Analog Innovation, Vol. 27, Number 1. Linear Technology, April 2017.

² Colm Slattery, Derrick Hartmann, and Li Ke. "Simplifying design of industrial process-control systems with PLC evaluation boards."EE Times, August 2009.

³ CN0383: Completely Integrated 2-Wire, 3-Wire, or 4-Wire RTD Measurement System Using a Low Power, Precision, 24-Bit ∑-Δ ADC. Analog Devices, Inc., October 2020.

⁴ Tom Domanski. "Optimize Sense Resistor Cost and Accuracy for RTD Temp Measurement when Using LTC2983 Temp-to-Bits IC." Analog Devices, Inc.