深度解析TMP421、TMP422、TMP423温度传感器：特性、应用与设计要点

在电子设备的设计中，精确的温度监测至关重要。德州仪器（TI）的TMP421、TMP422和TMP423系列温度传感器，凭借其高精度、多通道等特性，在众多领域得到了广泛应用。今天，我们就来深入了解一下这三款传感器。

文件下载：tmp423.pdf

一、产品概述

TMP421、TMP422和TMP423是带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监测器。TMP421为两通道数字温度传感器，结合了本地管芯温度测量通道和远程结温度测量通道，有SOT23 - 8和DSBGA - 8两种封装；TMP422为三通道，TMP423为四通道，它们在单个SOT23 - 8封装中分别结合了本地管芯温度测量通道和两个或三个远程结温度测量通道。这些器件与两线和SMBus接口兼容，工作温度范围为 - 40°C至 + 125°C。

二、产品特性亮点

高精度测量

• 远程精度高：远程温度传感器的精度可达±1°C（最大），无需校准，适用于多个IC制造商的产品。
• 本地精度可靠：本地温度传感器的精度为±1.5°C（最大），能为系统提供准确的本地温度信息。

功能特性丰富

• 串联电阻消除：可自动消除应用电路中因印刷电路板（PCB）走线电阻和远程线路长度产生的串联电阻，最大可消除3kΩ的串联线路电阻，避免温度偏移，无需额外的特性表征和温度偏移校正。
• n因子校正：允许使用不同的n因子值将远程通道测量值转换为温度，可根据实际情况调整有效n因子，以提高测量精度。
• 多接口地址：TMP421支持九个从设备地址，TMP422支持四个从设备地址，TMP423有两个工厂预设的从地址之一，方便在不同的系统配置中使用。
• 二极管故障检测：能够检测二极管连接错误或开路故障，当检测到故障时，温度结果寄存器中的OPEN位将被置为 '1'。
• 差分输入电容耐受性强：可承受高达1000pF的差分输入电容，温度误差变化极小。

封装形式多样

提供SOT23 - 8和DSBGA（WCSP）两种封装，满足不同的应用场景和设计需求。

三、应用领域广泛

处理器/FPGA温度监测

在处理器和FPGA等设备中，温度过高会影响其性能和稳定性。TMP421、TMP422和TMP423能够实时监测这些设备的温度，确保其在安全的温度范围内运行。

投影仪设备

如LCD/DLP®/LCOS投影仪，精确的温度监测有助于保证投影仪的图像质量和使用寿命。

服务器和电信设备

在服务器和中央办公室电信设备中，稳定的温度环境对于设备的正常运行至关重要。这些传感器可以及时反馈设备的温度信息，以便采取相应的散热措施。

存储区域网络（SAN）

SAN系统中的存储设备对温度较为敏感，使用这些温度传感器可以有效监测设备温度，防止因过热导致的数据丢失和设备损坏。

四、电气特性详解

温度误差

• 本地温度传感器：在 - 40°C至 + 125°C的温度范围内，本地温度传感器的误差最大为±2.5°C。
• 远程温度传感器：在不同的温度和电压条件下，远程温度传感器的误差有所不同。例如，在TA = + 15°C至 + 85°C，TD = - 40°C至 + 150°C，V+ = 3.3V的条件下，误差最大为±1.5°C。

温度测量参数

• 转换时间：每个通道的转换时间典型值为115ms，最大值为130ms。
• 分辨率：本地和远程通道的测量分辨率均为0.0625°C，不可调节。
• 远程传感器源电流：提供高、中、低三种不同的源电流，分别为120μA、12μA和6μA。

SMBus接口特性

• 逻辑输入电压：逻辑输入高电压（SCL、SDA）典型值为2.1V，逻辑输入低电压（SCL、SDA）典型值为0.8V。
• 输出特性：SMBus输出低灌电流典型值为500mA，SDA输出低电压典型值为0.15V。
• 时钟频率和超时：SMBus时钟频率范围为1kHz至3.4MHz，SMBus超时时间为30ms。

电源特性

• 电压范围：TMP421的电源电压范围为2.7V至5.5V，TMP421C为2.55V至5.5V，TMP422和TMP423为2.7V至5.5V。
• 静态电流：在不同的工作模式和转换速率下，静态电流有所不同。例如，在每秒0.0625次转换且串行总线活动、fS = 400kHz的关机模式下，静态电流典型值为2.3μA。

五、寄存器信息

TMP421、TMP422和TMP423包含多个寄存器，用于保存配置信息、温度测量结果和状态信息。

指针寄存器

8位指针寄存器用于寻址给定的数据寄存器，每次写命令都会设置该寄存器的值，在执行读命令之前必须先向指针寄存器写入正确的值。

温度寄存器

本地通道和每个远程通道都有一个高字节寄存器和一个低字节寄存器，分别存储温度ADC结果的最高有效位（MSB）和最低有效位（LSB）。温度寄存器为只读寄存器，每次温度测量完成后由ADC更新。

状态寄存器

状态寄存器报告温度ADC的状态，通过访问指针地址08h进行读取。其中的BUSY位用于指示ADC是否正在进行转换。

配置寄存器

• 配置寄存器1：设置温度范围并控制关机模式。通过设置RANGE位可选择标准测量范围（ - 40°C至 + 127°C）或扩展测量范围（ - 55°C至 + 150°C）；SD位用于启用或禁用温度测量电路。
• 配置寄存器2：控制哪些温度测量通道被启用以及外部通道是否启用电阻校正功能。

转换速率寄存器

控制温度转换的速率，可调整转换之间的空闲时间，从而平衡设备的功耗和温度寄存器的更新速率。

η - 因子校正寄存器

允许使用不同的η - 因子值将远程通道测量值转换为温度，可根据实际情况调整有效η - 因子。

软件复位寄存器

向该寄存器写入任何值可将所有寄存器恢复到上电复位状态，并中止正在进行的转换。

识别寄存器

通过读取指针地址FEh和FFh可分别获取制造商ID和设备ID，方便软件识别设备。

六、通信接口与操作

总线概述

TMP421、TMP422和TMP423与SMBus接口兼容，在SMBus协议中，发起传输的设备为 master，受 master 控制的设备为 slave。总线必须由 master 设备控制，它负责生成串行时钟（SCL）、控制总线访问以及生成START和STOP条件。

串行接口

这些器件仅作为从设备在两线总线或SMBus上运行，通过开漏I/O线SDA和SCL进行连接。SDA和SCL引脚具有集成的尖峰抑制滤波器和施密特触发器，可减少输入尖峰和总线噪声的影响。支持快速（1kHz至400kHz）和高速（1kHz至3.4MHz）模式的传输协议，所有数据字节均先传输MSB。

串行总线地址

• TMP421：支持九个从设备地址，由A1和A0引脚设置。
• TMP422：支持四个从设备地址，由外部晶体管与TMP422的连接设置。
• TMP423：有两个工厂预设的从地址之一，TMP423A为1001100b，TMP423B为1001101b。

  读写操作

  访问特定寄存器时，需先向指针寄存器写入相应的值。读操作时，使用最后一次写操作存储在指针寄存器中的值来确定要读取的寄存器。读操作结束时，应在最后一个字节的确认时间发出Not - Acknowledge命令。

七、设计要点与注意事项

硬件连接

• 远程传感器连接：TMP421只需在DXP和DXN引脚之间连接一个晶体管；TMP422需要在DX1和DX2以及DX3和DX4之间连接晶体管，未使用的通道必须连接到GND；TMP423需要在每个正通道（DXP1、DXP2和DXP3）连接一个晶体管，每个通道的基极连接到公共负端DXN，未使用的DXP引脚可悬空或连接到GND。
• 接口引脚：SCL和SDA接口引脚需要上拉电阻，建议使用0.1μF的电源旁路电容进行本地旁路。

布局考虑

• 位置选择：将TMP421、TMP422和TMP423尽可能靠近远程结传感器放置，以减少噪声干扰。
• 走线设计：DXP和DXN走线应相邻布置，并使用接地保护走线屏蔽相邻信号；若使用多层PCB，应将这些走线埋在接地或V + 平面之间。
• 电容和电阻：在远程温度传感器输入之间放置差分旁路电容，电容值应在100pF至1nF之间；若需要增加串联电阻，总阻值不应大于3kΩ。
• 连接方式：当远程温度传感器与器件之间的连接长度小于8英寸（20.32cm）时，使用双绞线连接；超过8英寸时，使用带屏蔽的双绞线，并将屏蔽层尽可能靠近器件接地。

测量精度与热考虑

• 温度传感器与监测点的热接触：温度测量精度取决于远程和/或本地温度传感器与被监测系统点的温度一致性。确保温度传感器与被监测部件有良好的热接触，以减少温度变化响应的延迟。
• 本地温度传感器的热特性：本地温度传感器监测器件周围的环境空气温度，其热时间常数约为2秒。在大多数应用中，器件封装与PCB有电气和热接触，同时可能受到强制气流影响，因此测量温度的准确性直接取决于PCB和强制气流温度对器件测量温度的代表性。此外，器件的内部功耗可能导致温度高于环境或PCB温度，但由于激励远程温度传感器使用的电流较小，由此产生的功耗可忽略不计。

八、总结

TMP421、TMP422和TMP423温度传感器以其高精度、丰富的功能和良好的兼容性，为电子设备的温度监测提供了可靠的解决方案。在实际设计中，我们需要根据具体应用场景合理选择器件，并注意硬件连接、布局设计和测量精度等方面的问题，以充分发挥这些传感器的性能优势。你在使用这些传感器的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。