深入解析LM99：高精度远程二极管温度传感器的卓越性能与应用

在电子设备的设计与运行中，精确的温度监测至关重要。德州仪器（TI）的LM99远程二极管温度传感器，凭借其高精度、多功能和广泛的应用场景，成为众多工程师的理想选择。本文将深入探讨LM99的特性、工作原理、应用及设计要点，为电子工程师提供全面的参考。

文件下载：lm99.pdf

一、LM99简介

LM99是一款11位远程二极管温度传感器，具备2线系统管理总线（SMBus）串行接口。它不仅能精确测量自身温度，还能准确感知远程二极管连接晶体管（如2N3904）或图形处理器单元（GPU）、计算机处理器单元（CPU）等ASIC上常见的热敏二极管的温度。

主要特性

1. 高精度温度传感：能精确感应远程二极管温度，本地温度测量也有不错的精度。
2. 灵活的二极管适配：通过偏移寄存器，可适配各种热敏二极管。
3. 本地温度监测：具备板载本地温度传感功能。
4. 高分辨率数据输出：远程二极管温度数据格式为10位加符号，分辨率达0.125°C。
5. 丰富的输出功能：T_CRIT_A输出可用于系统关机，ALERT输出支持SMBus 2.0协议。
6. 兼容SMBus 2.0：支持超时功能，通信稳定。
7. 小巧封装：采用8引脚VSSOP封装，节省空间。

应用领域

广泛应用于图形处理器热管理、计算机处理器热管理、电子测试设备和办公电子等领域。

二、关键规格参数

1. 电源电压：3.0V至3.6V，满足大多数电子设备的供电需求。
2. 电源电流：典型值为0.8mA，功耗较低。
3. 温度精度
   • 本地温度精度（TA = 25°C至125°C）：±3.0°C（最大）。
   • 远程二极管温度精度在不同温度区间有所不同，TA = 30°C至50°C，TD = 120°C至140°C时，精度为±1.0°C（最大）；TA = 0°C至85°C，TD = 25°C至140°C时，精度为±3.0°C（最大）。

三、工作原理

LM99采用基于delta VBE的温度传感器和10位加符号ΔΣ ADC（Delta - Sigma模数转换器）。它通过数字比较器将测量的本地温度（LT）和远程温度（RT）分别与用户可编程的温度极限寄存器（如Local High、Local Low、Local T_CRIT、Remote High、Remote Low、Remote T_CRIT）进行比较。当温度超出预设范围时，ALERT输出或T_CRIT_A输出将被触发。

四、功能模块详解

1. 转换序列

LM99完成本地温度（LT）、远程温度（RT）的转换并更新所有寄存器大约需要31.25ms。转换过程中，状态寄存器（02h）中的忙碌位（D7）为高。转换速率可通过转换速率寄存器（04h）进行修改，不同的转换速率会影响供电电流。

2. ALERT输出

ALERT引脚是一个低电平有效、开漏输出的引脚，可通过三种方式使用：

• 温度比较器：在系统未由中断程序服务时，可作为温度比较器。当触发ALERT输出的条件不再存在时，ALERT将恢复高电平。使用此模式时，需将FILTER和ALERT CONFIGURE REGISTER（xBF）中的D0位（ALERT配置位）置高。
• 中断信号：可作为简单的中断信号触发中断服务程序。在读取状态寄存器时，若状态寄存器中的任何位（除忙碌位D7和OPEN位D2外）被置位，LM99将设置ALERT掩码位（配置寄存器的D7位），防止进一步触发ALERT，直到主设备在中断服务程序结束时重置ALERT掩码位。此模式下，FILTER和ALERT CONFIGURE REGISTER（xBF）中的D0位需置低。
• SMBus ALERT：当ALERT输出连接到其他SMBus兼容设备的ALERT输出和主设备时，形成SMBus警报线。LM99应使用ARA（Alert Response Address）协议。在接收到ARA命令后，LM99会发送其地址，并在成功发送地址后设置ALERT掩码位，释放ALERT输出引脚。主设备需在中断服务程序中读取状态寄存器，并在结束时将配置寄存器中的ALERT掩码位重置为0。

3. T_CRIT_A输出和T_CRIT限制

当任何温度读数超过关键温度设定点寄存器（T_CRIT）中的预设极限时，T_CRIT_A输出将被激活。状态寄存器可用于确定触发警报的事件。本地和远程温度二极管由A/D转换器依次采样，T_CRIT_A输出和状态寄存器标志在每次本地和远程温度转换后更新。

4. 电源复位默认状态

LM99上电后会进入已知的默认状态，包括命令寄存器、本地温度、远程二极管温度、状态寄存器、配置寄存器等的初始设置。

5. SMBus接口

LM99作为SMBus的从设备，SMBCLK线为输入，SMBData线为双向。它具有7位从地址，LM99和LM99 - 1的从地址不同，可同时存在于同一总线上。

6. 温度数据格式

• 远程温度数据由11位二进制补码表示，LSB为0.125°C，存储在两个8位寄存器中。
• 本地温度数据由8位二进制补码表示，LSB为1°C。

7. 开漏输出

SMBData、ALERT和T_CRIT_A输出为开漏输出，需外部上拉电阻提供上拉电流。上拉电阻应尽可能大，以减少LM99内部发热导致的温度读数误差。

8. 二极管故障检测

LM99具备检测远程二极管故障的功能。当D +引脚短路到VDD或浮空时，远程温度高字节（RTHB）寄存器加载为+127°C，低字节（RTLB）寄存器加载为0，状态寄存器中的OPEN位（D2）置位。当D +引脚短路到地或D -时，RTHB寄存器加载为 - 128°C，OPEN位不置位。

9. 与LM99通信

LM99的数据寄存器通过命令寄存器选择。写入操作需包含地址字节和命令字节，读取操作可根据命令寄存器的状态选择不同方式。读取时，主设备需确保从同一温度转换中获取所有10位数据。

10. 串行接口复位

当SMBus主设备复位而LM99正在SMBData线上传输数据时，可通过两种方式将LM99恢复到已知状态：一是当SMBData为低电平时，将SMBData或SMBCLK保持低电平超过35ms；二是当SMBData为高电平时，主设备发起SMBus启动。

11. 数字滤波器

为抑制因噪声导致的远程温度读数误差，LM99内置用户可配置的数字滤波器。滤波器可在FILTER和ALERT CONFIGURE REGISTER（BFh）中设置，有无滤波、一级滤波和二级滤波三种模式，二级滤波为最大滤波。

12. 故障队列

为抑制错误的ALERT或T_CRIT触发，LM99采用故障队列。故障队列默认关闭，可通过将配置寄存器（09h）中的D0位置为“1”来激活。只有当连续三次远程温度测量超出HIGH、LOW或T_CRIT设定点时，才会触发“超出限制”条件。

13. 单触发寄存器

单触发寄存器用于在设备处于待机模式时启动单次转换和比较周期，转换完成后设备返回待机状态。写入此寄存器即可触发单触发转换，写入的数据无关紧要，且不会存储。

五、寄存器详解

LM99包含多个寄存器，用于控制和读取各种参数，如命令寄存器、本地和远程温度寄存器、状态寄存器、配置寄存器等。每个寄存器都有特定的功能和默认值，工程师可根据需要进行配置。

六、应用提示

1. 温度测量

• 若要测量LM99芯片外部的温度，可使用远程二极管。该二极管可位于目标IC的芯片上，实现独立于LM99温度的IC温度测量。
• 注意离散二极管的温度会受其引脚温度的影响，且通常由引脚温度主导。

2. 二极管非理想性

• 二极管的非理想性会影响温度测量的准确性。非理想性因子η会直接增加传感器的不准确性，可通过对每个温度传感器与配对的远程二极管进行校准来消除这种影响。
• 对于特定处理器类型，可使用偏移寄存器（11h和12h）减少与非理想性相关的温度误差。

3. PCB布局

在嘈杂环境（如处理器主板）中，PCB布局至关重要。为减少噪声对温度转换的影响，应遵循以下原则：

• 在VDD引脚附近放置0.1µF的电源旁路电容，在D +和D -引脚附近放置2.2nF的电容，并确保连接电容的走线匹配。
• 将LM99放置在距离处理器二极管引脚10cm以内，走线应尽可能直、短且相同。
• 用接地保护环包围二极管走线，但不要在D +和D -线之间设置。
• 避免将二极管走线靠近电源开关或滤波电感、高速数字和总线线路。
• 若必须与高速数字走线交叉，应使二者成90度角。
• 将LM99的GND引脚连接到与感测二极管相关的处理器GND附近。
• 尽量减少D +和GND之间的泄漏电流，保持印刷电路板清洁。

七、总结

LM99作为一款功能强大的远程二极管温度传感器，以其高精度、多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。在实际应用中，工程师需根据具体需求合理配置寄存器，优化PCB布局，以充分发挥LM99的性能。同时，要注意二极管的非理想性对温度测量的影响，并采取相应的补偿措施。希望本文能为电子工程师在使用LM99进行设计时提供有价值的参考。你在使用LM99过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。