ON Semiconductor ADM1023：高精度微处理器系统温度监测器的卓越之选

在电子设备的设计中，温度监测是确保系统稳定运行的关键环节。ON Semiconductor推出的ADM1023作为一款ACPI兼容的高精度微处理器系统温度监测器，为我们提供了出色的解决方案。今天，就让我们深入了解一下这款产品。

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一、产品概述

ADM1023是ADM1021的下一代升级版，具有诸多强大的特性。它具备片上和远程温度传感功能，拥有用于系统校准的偏移寄存器。在本地通道上，它能实现1°C的精度和分辨率；在远程通道上，分辨率可达0.125°C，精度为1°C。同时，它还支持可编程的过/欠温度限制和转换速率，以及系统管理总线（SMBus）ALERT功能，采用2线SMBus串行接口，功耗低，工作电流最大为200 μA（0.25次转换/秒），待机电流仅1 μA，供电范围为3 V至5.5 V，采用小巧的16引脚QSOP封装。

其应用场景广泛，涵盖了台式计算机、笔记本电脑、智能电池、工业控制器、电信设备和仪器仪表等领域。

二、技术规格

（一）电气参数

在供电和ADC方面，本地传感器温度分辨率为1°C，远程传感器温度分辨率为0.125°C。本地传感器在不同温度范围下的温度误差有所不同，TA = 60°C至100°C时，误差为±0.5°C；TA = 0°C至120°C时，误差为±3°C。远程传感器在TA, TD = 60°C至100°C时，误差为±1°C；TA, TD = 0°C至120°C时，误差为±3°C。相对精度在TA = 60°C至100°C时为0.25°C。

供电电压范围为3 V至3.6 V，欠压锁定阈值为2.55 V至2.8 V，欠压锁定迟滞为25 mV，上电复位阈值为0.9 V至2.2 V，POR阈值迟滞为50 mV。

（二）绝对最大额定值

正电源电压（Voo）到GND的范围是 -0.3V至 +6V，D+、ADD0、ADD1的范围是 -0.3 V至VDD + 0.3V，D - 到GND的范围是 -0.3 V至 +0.6V，SCLK、SDATA、ALERT、STBY的范围是 -0.3V至 +6V。输入电流最大为±50 mA，D - 的输入电流最大为±1 mA。所有引脚的ESD额定值（人体模型）为2000V。

（三）热特性

16引脚QSOP封装的热阻参数为：(theta{JA}=105^{circ} C / W)，(theta{IC}=39^{circ} C / W)。

三、引脚配置与功能

（一）引脚配置

ADM1023采用16引脚QSOP封装，各引脚具有不同的功能。例如，VDD为正电源引脚，范围为3 V至5.5 V；D+为远程温度传感器的正连接引脚，D - 为负连接引脚；ADD0和ADD1为三态逻辑输入引脚，用于选择设备地址；ALERT为开漏逻辑输出引脚，可作为中断或SMBus ALERT使用；STBY为逻辑输入引脚，用于选择正常操作（高电平）或待机模式（低电平）。

（二）功能描述

该设备包含一个双通道模数转换器（ADC），通过特殊的输入信号调理，能够与远程和片上二极管温度传感器配合工作。正常运行时，ADC以自由运行模式工作，模拟输入多路复用器会交替选择片上温度传感器测量本地温度或远程温度传感器。测量结果会存储在本地和远程温度值寄存器中。

为了消除远程通道测量中的误差，提供了两个偏移寄存器（Address 0x11和Address 0x12）。测量结果会与存储在片上六个极限寄存器中的本地和远程高低温度限制进行比较，超出限制的比较结果会产生标志并存储在状态寄存器中，一个或多个超出限制的结果会使ALERT输出拉低。

四、工作原理

（一）测量方法

ADM1023利用二极管或晶体管基极发射极电压的负温度系数来测量温度。它通过在两种不同的集电极电流下操作设备，测量VBE的变化来获取温度，公式为(Delta V{B E}=frac{n K T}{q} × ln (N))。测量得到的波形会经过低通滤波器去除噪声，再通过斩波稳定放大器进行放大和整流，产生与(Delta V{BE})成比例的直流电压，最后由ADC测量并以二进制格式输出温度。为了进一步减少噪声影响，会对16个测量周期的结果进行平均。

（二）误差来源

在热晶体管测量方法中，理想因子（n）和β值会对测量结果产生影响。对于采用亚微米工艺的热晶体管，如奔腾III处理器上的衬底PNP晶体管，n值的变化会导致温度误差。ADM1023在计算温度时会考虑理想因子，当n值偏离典型值1.008时，会产生温度误差。β值的变化小于1%时，对温度误差的贡献小于0.4°C。

五、寄存器功能

ADM1023包含多个寄存器，用于存储远程和本地温度测量结果、高低温度限制，以及配置和控制设备。

（一）地址指针寄存器

它是每次写操作的第一个数据字节自动写入的寄存器，用于设置其他寄存器，以便进行后续的写操作或读操作。

（二）值寄存器

有三个寄存器用于存储本地和远程温度测量结果，由ADC写入，只能通过SMBus读取。

（三）偏移寄存器

位于Address 0x11和Address 0x12，用于消除远程温度测量值中的误差，可接受 -128.875°C至 +127.875°C的值。

（四）状态寄存器

其第7位表示ADC是否正在转换，第6至3位为极限比较结果的标志位，第2位表示远程传感器是否开路。这些标志位在状态寄存器被读取或通过POR复位时会被清除。

（五）配置寄存器

第6位用于选择设备的运行模式（运行或待机），第7位用于屏蔽或启用ALERT输出。

（六）转换速率寄存器

最低三位用于编程转换速率，通过将ADC时钟除以1、2、4、8、16、32、64或128来实现不同的转换时间，从而大大降低设备的功耗。

（七）极限寄存器

有六个极限寄存器用于存储本地和远程的高低温度限制，可通过SMBus进行读写操作。

（八）单触发寄存器

用于在ADM1023处于待机模式时启动单次转换和比较周期，之后设备返回待机状态。

六、串行总线接口

ADM1023通过串行总线进行控制，作为从设备连接到总线上，由主设备控制。其SMBus SDA和SCLK引脚在设备掉电时为三态，不会拉低SMBus。

设备有两个地址引脚ADD0和ADD1，通过不同的状态组合可以选择九个不同的设备地址，以避免与其他设备冲突。地址引脚的状态仅在上电时采样，上电后更改无效。

数据传输通过串行总线进行，主设备通过建立起始条件发起数据传输，数据以九个时钟脉冲为一组进行发送，包括8位数据和1位确认位。读写操作有不同的流程，写操作包含一或两个字节，读操作包含一个字节。

七、ALERT输出

ALERT输出在检测到超出限制的测量结果或远程温度传感器开路时会拉低，它是开漏输出，需要一个10 kΩ的上拉电阻连接到VDD。多个ALERT输出可以进行线与连接，当其中一个或多个输出拉低时，公共线会拉低。

ALERT输出可以作为处理器的中断信号，也可以作为SMBALERT使用。当SMBALERT线被拉低时，主设备会发起读取操作，发送警报响应地址（ARA），响应的设备会返回其设备地址，之后主设备可以对其进行询问。

八、低功耗待机模式

ADM1023可以通过硬件（将STBY输入拉低）或软件（设置配置寄存器的第6位）进入低功耗待机模式。在待机模式下，ADC被禁止，任何正在进行的转换会终止，且不会将结果写入相应的值寄存器，SMBus仍然启用。

当STBY为低电平时，转换完全被禁止；当第6位被设置，但STBY为高电平时，可以通过向单触发寄存器（Address 0x0F）写入任何数据值来启动两个通道的单次转换。

九、传感器故障检测

ADM1023在D+输入处有一个故障检测器，用于检测外部传感器二极管是否开路。当D+处的电压超过VCC - 1 V（典型值）时，比较器会触发，并设置状态寄存器的第2位。

如果远程传感器电压低于正常测量范围，ADC会输出 -128°C（1000 0000 000），这可以被解释为故障条件。与一些竞争设备不同，ADM1023不会将真正的0°C测量误判为故障条件。

十、应用相关

（一）影响精度的因素

1. 远程传感二极管

ADM1023可以与处理器内置的衬底晶体管或分立晶体管配合使用。选择分立晶体管时，应考虑基极发射极电压、基极电阻和(h_{fe})的变化等因素，以确保最佳精度。

2. 热惯性和自热

精度取决于远程传感二极管和/或内部温度传感器与被测量部分的温度一致性。远程传感器通常不会有问题，而片上传感器可能会受到热惯性的影响，不过由于封装与印刷电路板的电气和热连接，自热引起的温度上升可以忽略不计。

（二）布局考虑

在数字电路板上，ADM1023测量的是来自远程传感器的非常小的电压，因此需要采取措施最小化传感器输入处的噪声。例如，将ADM1023尽可能靠近远程传感二极管放置，将D+和D - 轨道紧密并行布线，并在两侧设置接地保护轨道，使用宽轨道以减少电感和噪声拾取，尽量减少铜/焊点的数量，在VDD引脚附近放置0.1 μF的旁路电容，在D+、D - 两端靠近ADM1023处放置1000 pF的输入滤波电容等。

（三）应用电路

文档中给出了典型的应用电路，包括使用分立传感器晶体管通过屏蔽双绞线电缆连接的电路，以及ADM1023与I/O控制器集成到系统中的电路。

十一、总结

ADM1023作为一款高性能的温度监测器，具有高精度、低功耗、多种功能和灵活的配置选项，适用于各种需要温度监测和管理的应用场景。在设计过程中，我们需要充分考虑其技术规格、引脚配置、工作原理、寄存器功能、总线接口等方面，同时注意影响精度的因素和布局考虑，以确保系统的稳定运行。你在实际应用中是否遇到过类似的温度监测问题？又是如何解决的呢？欢迎在评论区分享你的经验。