提高精密 RTD 温度测量解决方案的 EMC 性能

您是否想知道如何设计具有高电磁兼容性 (EMC) 性能的精密温度测量系统?本文将讨论精密温度测量系统的设计注意事项以及如何在保持测量精度的同时提高系统的 EMC 性能。我们将以 RTD 温度测量为例，介绍测试结果和数据分析，使我们能够轻松地从概念转向原型，从概念转向市场。

精密温度测量和 EMC 挑战

温度测量是模拟世界中最常用的传感技术之一。有许多测量技术可用于感测环境温度。热敏电阻是一种小型、简单的 2 线实现，具有快速响应时间，但其非线性和有限的温度范围限制了其精度和应用。RTD 是最稳定、最准确的温度测量方法。RTD 设计的难点在于它需要外部刺激、复杂的电路和校准工作。没有开发温度测量系统经验的工程师可能会感到沮丧。热电偶 (TC) 可以提供具有不同范围的坚固、廉价的解决方案，但冷端补偿 (CJC) 是完整系统所必需的。与热敏电阻、TC 和 RTD 相比，新开发的数字温度传感器可以直接通过数字接口提供校准的温度数据。精密温度测量需要高精度温度传感器和精密信号链来组成温度测量系统。TC、RTD 和数字温度传感器的精度最高。精密信号链设备可用，可用于收集这些传感器信号并将其转换为绝对温度。在工业领域，达到 0.1°C 的精度是我们的目标。此精度测量不包括传感器误差。表 1 显示了不同温度传感器类型的比较。精密温度测量需要高精度温度传感器和精密信号链来组成温度测量系统。TC、RTD 和数字温度传感器的精度最高。精密信号链设备可用来收集这些传感器信号并将其转换为绝对温度。在工业领域，达到 0.1°C 的精度是我们的目标。此精度测量不包括传感器误差。表 1 显示了不同温度传感器类型的比较。精密温度测量需要高精度温度传感器和精密信号链来组成温度测量系统。TC、RTD 和数字温度传感器的精度最高。精密信号链设备可用来收集这些传感器信号并将其转换为绝对温度。在工业领域，达到 0.1°C 的精度是我们的目标。此精度测量不包括传感器误差。表 1 显示了不同温度传感器类型的比较。该精度测量不包括传感器误差。表 1 显示了不同类型的温度传感器的比较。该精度测量不包括传感器误差。表 1 显示了不同类型的温度传感器的比较。

表 1. 不同温度传感器类型的比较

在创建数字测温系统时，尤其是在工业和铁路等恶劣环境中的应用，不仅要考虑精度和设计难度，而且 EMC性能也是保持系统稳定性的关键特性。系统需要额外的电路和分立元件来提高 EMC 性能。然而，更多的保护元件意味着更多的误差源。因此，设计一个具有高传感精度和高 EMC 性能的测温系统非常具有挑战性。测温系统的 EMC 性能决定了它能否在指定的电磁环境中正常工作。

ADI 提供各种温度测量解决方案，例如精密模数转换器 (ADC)、模拟前端 (AFE)、IC 温度传感器等。ADI AFE 解决方案提供多传感器高精度数字温度测量系统，用于直接 TC 测量、直接 RTD 测量、直接热敏电阻测量，并支持定制传感器应用。一些特殊配置有助于在添加 EMC 保护组件的同时保持高测量精度。

以下部分介绍了系统设计人员实现最佳 EMC 性能的温度传感解决方案。

RTD 温度测量解决方案

以LTC2983测温 AFE 为例，系统控制器可以直接通过 SPI 接口从 LTC2983 读取经过校准的温度数据，精度为 0.1°C，分辨率为 0.001°C。当连接 4 线 RTD 时，激励电流轮换功能可以自动消除热电偶的寄生效应，并降低信号电路漏电流的影响。基于这些特性，LTC2983 可以加速多通道精密测温系统的设计，无需复杂的电路设计即可实现高 EMC 性能，让您和您的客户更加放心。

RTD 无疑是高精度温度测量的最佳选择，可测量 –200°C 至 +800°C 范围内的温度。100 Ω 和 1000 Ω 铂 RTD 最为常见，但也可以由镍或铜制成。

最简单的 RTD 温度测量系统是 2 线配置，但引线电阻会引入额外的系统温度误差。3 线配置可以通过将两个匹配的电流源应用于 RTD 来消除引线电阻误差，但引线电阻应相等。开尔文配置或 4 线配置可以通过使用高阻抗开尔文传感直接测量传感器来消除平衡或不平衡的引线电阻。但是，成本将成为 4 线配置的主要制约因素，因为它需要更多电缆，尤其是对于远程温度测量。图 3 显示了不同的 RTD 线配置。 考虑到实际客户使用案例，本文选择了 3 线 RTD 配置并测试其 EMC 性能。

2 线和 3 线 RTD 传感器也可以在 PCB 上使用开尔文配置。当我们需要在信号链路中添加限流电阻和 RC 滤波器来保护设备的模拟输入引脚时，这些额外的电阻会引入较大的系统偏移。例如，用 4 线开尔文配置替换 2 线保护电路可以帮助消除这种偏移，因为激励电流不会流过这些限流电阻和 RC 滤波器，保护电阻引起的误差可以忽略不计。

温度测量系统面临哪些稳健性挑战?

与大多数温度测量 IC 一样，LTC2983 可以承受超过 2 kV HBM ESD 水平。但在工业自动化、铁路和其他恶劣的电磁环境中，电子设备需要面对更高的干扰水平和更复杂的 EMC 事件，例如静电放电 (ESD)、电快速瞬变 (EFT)、辐射敏感度 (RS)、传导敏感度 (CS) 和浪涌。

需要额外的分立保护元件来降低下游设备损坏的风险并提高系统的稳健性。

EMC 事件的三个要素是噪声源、耦合路径和接收器。如图 5 所示，在该温度测量系统中，噪声源来自周围环境。耦合路径是传感器电缆，LTC2983 是接收器。工业自动化和铁路应用总是使用长传感器电缆来感测远程设备的温度。传感器电缆的长度可能有几米甚至几十米。更长的电缆会导致更大的耦合路径，温度测量系统将面临更严峻的 EMI 挑战。

采用 TVS 的系统级保护解决方案

瞬态电压抑制器 (TVS) 和限流电阻是最常见的保护元件。选择合适的 TVS 和限流电阻不仅可以提高系统的稳健性，还可以保持系统的高测量性能。表 2 显示了 TVS 器件的关键参数，包括工作峰值反向电压、击穿电压、最大钳位电压和最大反向漏电。工作峰值反向电压必须高于最大传感器信号，以确保系统正常工作。击穿电压不应远高于信号电压，以避免产生宽的、不受保护的电压范围。最大钳位电压决定了 TVS 可以抑制的最大干扰信号电压。反向漏电会对系统的测量误差产生很大的贡献，因此应选择反向漏电尽可能小的TVS。

表 2. TVS 关键参数

在正常工作条件下，TVS 器件对地阻抗较高。当系统输入端施加大于 TVS 击穿电压的瞬态电压时，一旦 TVS 击穿并提供低阻抗接地路径，输入端的电压就会被钳位，从而将瞬态电流从输入端转移到地。

如图 2 所示，这是一个 3 线 PT-1000 保护电路。3 线 PT-1000 通过三个相邻通道连接到 LTC2983，这些通道由 SMAJ5.0A TVS 和 100 Ω 限流电阻保护。限流电阻和下游电容器形成低通滤波器，以尽可能多地从输入线路中去除 RF 分量，保持每条线路与地之间的交流信号平衡，并在测量带宽上保持足够高的输入阻抗，以避免加载信号源。[2] 差模滤波器 –3 dB 带宽为 7.9 kHz，共模滤波器 –3 dB 带宽为 1.6 MHz。

该温度测量系统已根据 IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-3、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5 和 IEC 61000-4-6 标准进行了测试。在这些测试中，系统必须正常工作并提供精确的温度测量。受测传感器为 B 类 3 线 PT-1000，使用约 10 米长的屏蔽线。

表3列出了IEC 61000-4-x抗扰度测试项目、测试等级以及系统受到EMI事件干扰时的温度波动情况。

表 3.EMI 测试结果

TVS 和限流电阻有助于保护温度测量系统免受 EMC 的影响。钳位电压最低的 TVS 可以更好地保护敏感电路。但它们反过来会给系统带来误差。为了解决这个问题，我们必须使用击穿电压更高的 TVS，因为击穿电压越高意味着正常工作电压下的漏电流越小。TVS 的漏电流越低，系统产生的误差就越少。

考虑到这些因素，我们使用了 Littelfuse SMAJ5.0A TVS(可在大多数电子元件分销商处购买)和精度为 ±0.1% 的 100 Ω 限流电阻来保护系统并避免引入任何显著的测量误差。

为了实现较高的测量精度，我们使用精密电阻矩阵代替 PT-1000 传感器并模拟温度变化。此精密电阻矩阵已使用 Keysight Technologies 3458A 万用表进行了校准。

为了减轻消除匹配引线电阻误差的难度，我们采用4线配置来评估系统的精度性能。这更有利于消除传感器误差。

为了更准确地计算系统误差，我们需要使用与 LTC2983 相同的标准将电阻值转换为温度。传感器制造商发布的温度查找表是最准确的转换方法。但是，将每个温度点都写入处理器的内存是不明智的。

TVS 误差贡献和优化配置

您可以从器件的数据表中找到 TVS 的 IV 曲线特性。但是，大多数 TVS 制造商仅提供器件参数的典型值，而不是计算特定电压下 TVS 的误差贡献(尤其是漏电流误差)所需的所有 IV 数据。

本应用使用了 Littelfuse SMAJ5.0A TVS。测试了一些样品后，我们发现在 1 V 反向电压下漏电流约为 1 μA，远低于 TVS 数据手册中的最大反向漏电流。该漏电流会给系统带来很大的误差。但如果启用 LTC2983 的激励电流旋转，漏电流误差的影响将大大降低。

结论

温度测量系统设计通常不被认为是一项艰巨的任务。然而，对于大多数系统设计人员来说，开发一个高度准确且坚固的温度测量系统是一项挑战。LTC2983 智能数字温度传感器可以帮助您克服这一挑战，并创建一款可以快速上市的产品。

· 这款受保护的 LTC2983 温度测量系统具有 ±0.4°C 的系统精度。测量误差包括 LTC2983 误差、TVS/限流电阻误差和 PCB 误差贡献。

· LTC2983 轮换励磁电流配置可以显著降低保护元件漏电流误差的影响。

· 尽管采用了最常见的保护措施，LTC2983 温度测量系统仍能提供高 EMC 性能。EMI 测试结果见表 3。

本文给出了一些特定配置的精度和EMC性能测试结果。您可以选择不同的TVS器件和限流电阻来获得不同的测量精度和EMC性能，以满足您的生产要求。