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Powermanagment-IC auf Abwegen

Temperatur fernabfragen (Teil 3)

24. Oktober 2017, 9:00 Uhr | Ralf Higgelke

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Schaltungsfehler aufdecken  sowie Variationen der Schaltung

Eine Unterbrechung oder ein Kurzschluss könnten dazu führen, dass eine oder mehrere Messwerterfassungen gestört sind. Üblicherweise tritt so etwas auf, wenn der D/A-Wandler abgetrennt ist oder wenn ein A/D-Wandlerkanal offen ist. In diesen Fällen sind die Messergebnisse weit entfernt von den erwarteten Werten. Um einen Schaltungsfehler aufzudecken, kann der C-Code jeden einzelnen Messwert mit einem bekannten Gut-Bereich vergleichen (U_BE sollte bei rund 0,6 V liegen; U_R sollte das Produkt aus einem bekannten Strom über einem bekannten Widerstand sein: z. B. 255 µA · 10 kΩ = 2,55 V). Subtilere Schaltungsfehler lassen sich erkennen, wenn man ∆U_BE und das Stromverhältnis mit erwarteten Werten vergleicht (∆U_BE sollte bei rund 60 mV liegen, und das Stromverhältnis sollte bekannt sein, da es programmierbar ist (z. B. 12,75)). Liegt einer dieser Werte außerhalb seines Bereichs, kann die Messung als falsch angenommen werden. Eine Reihe von falschen Messungen zeigt einen Schaltungsfehler an. Einfache Modifikationen im C-Code können diese Fehler aufdecken und dem Anwender anzeigen.

Interessante Variationen der Schaltung

In verrauschten Umgebungen kann es vorteilhaft sein, die Basis-Emitter-Spannung U_BE zu erhöhen, indem man mehr Strom als 255 µA anlegt. Der einfachste Weg dies zu tun ist es, den Spannungsausgang des D/A-Wandlers des LTC2970 zu verwenden anstatt den I_DAC. Der Spannungsausgang des D/A-Wandlers ist eine spannungsgepufferte Version der I_DAC-Pins. Die I_DAC-Spannung wird von einem Widerstand mit festem Wert am I_DAC-Ausgang eingestellt. 1 mA Basisstrom lassen sich erreichen, indem man einen Spannungsausgang am D/A-Wandler mit 3,6 V vollem Skalenbereich verwendet (durch Verbinden eines 14,2-kΩ-Widerstands zwischen dem I_DAC-Ausgangspin und GND) und einen 3-kΩ-Strommesswiderstands, der in Serie mit dem Bipolartransistor geschaltet, einsetzt.

Der Temperaturschritt von 2,3 K ist begrenzt von der U_BE-Messung, die einen kleinen Wert hat, und wird vom Bipolartransistor bestimmt, aber nicht von der Größe des fließenden Stroms. Eine einfache Art U_BE zu erhöhen ist es, zwei Bipolartransistoren in Serie zu schalten. Dies verdoppelt sowohl U_BE als auch ∆U_BE. Das Verdoppeln der Spannung verringert die Größe der Temperaturschritte um die Hälfte, indem das Quantisierungsrauschen des Signals verdoppelt wird. Bild 22 zeigt die modifizierte Schaltung.

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Ein wichtiger Faktor in der Einschwingzeit, die jede Messung benötigt, damit analogen Transienten nach dem Ändern des I_DAC-Stroms verklungen sind. Es gibt hier mehrere Möglichkeiten, dies zu verbessern. Die erste ist die Verkürzung der Einschwingzeit, indem man den Kondensator am Bipolartransistor (C₁ in den Bildern 1 aus Teil 1 des Artikels und Bild ₂₂) verkleinert sowie den Wert des stromfühlenden Widerstands und der Kleinsignalimpedanz des Bipolartransistors senkt. Dadurch fließt mehr Strom durch ihn. Wir haben schon den Einsatz des Spannungsausgangs des D/A-Wandlers anstatt des I_DAC erwähnt, was sowohl den Strom ansteigen lässt als auch den Wert des stromfühlenden Widerstands senkt. Man erinnere sich jedoch, dass das größte Problem bei der Verkürzung der Einschwingzeit darin liegt, dass die Signalbandbreite größer wird und so das Rauschen vergrößert.

Um Messzeit einzusparen, ist die Latenz der A/D-Wandlerschleife zu optimieren. Dazu schaltet man erstens kontinuierlich zwischen hohem und kleinem Strom hin und her, ohne diesen zwischen den Messungen auf Null zu stellen. Zweitens misst man differenziell zuerst von hohem auf niedrigen Strom, dann vom niedrigen auf hohen Strom. Dies spart mehrere Verzögerungsperioden im C-Code ein. Drittens programmiert man den LTC2970 so, dass ungenutzte Eingänge ignoriert werden, um die Polling-Schleife des A/D-Wandlers zu verkürzen. Über das ADC_MON-Register lassen sich alle Kanäle deaktivieren, die der A/D-Wandler nicht abtasten muss. Jeder deaktivierte Kanal spart 33,3 ms. Zusätzlich zur Verkürzung der Abtastzeit mildern diese zeitsparenden Hilfsmittel auch folgende potenzielle Fehlerquelle: die Temperaturdrift. Verändert sich die Temperatur eines Systems mit einer Rate vergleichbar der Zeitspanne zwischen zwei UBE-Messungen, resultiert daraus ein signifikanter Temperaturfehler. Verkürzt sich die Abtastzeit, vermindert sich auch der Fehler durch eine Temperaturdrift.

Fazit

Der LTC2970 ist wesentlich vielseitiger als es die beabsichtigten Applikationen in seinem Datenblatt vermuten lassen. Wenn ein System nur einen Kanal für das Management der Stromversorgung benötigt, bietet der zweite Kanal die Möglichkeit, die externe Temperatur in einem sauber mit ihm verbundenen Transistor zu messen.
Einige Zeilen an Mikroprozessorcode treiben den LTC2970, messen die U_BE mithilfe eines A/D-Wandlers und berechnen die Temperatur mit einem Fehler von unter ±2,5 K. Diese Anwendung ist nahezu kostenfrei und liefert zusätzliche Möglichkeiten für einen LTC2970.