Ajout de fonctionnalités de mesure de température à la conception de la collecte d’énergie des capteurs de température sans fil

　　La surveillance de la température joue un rôle important dans un large éventail d’applications. Pour les systèmes électroniques, des températures supérieures ou inférieures aux spécifications peuvent affecter la performance nominale des circuits et des systèmes. Au-delà de ces applications traditionnelles de gestion thermique, la mesure de la température est passée d’une fonction occasionnelle de surveillance système à une fonction centrale pour des applications telles que l’Internet des objets (IoT). Ici, les capteurs de température sans fil s’appuient sur la technologie de récolte d’énergie pour fournir de l’énergie à la mesure des données des capteurs et à la transmission sans fil. Pour ces conceptions à faible consommation, les ingénieurs peuvent trouver des circuits intégrés de capteurs intégrés provenant d’entreprises telles qu’ADI, Maxim Integrated, Microchip Technology et Texas Instruments.

　　Pour les applications générales de mesure de température, les ingénieurs peuvent choisir parmi divers capteurs de température, notamment les thermocouples, RTD, thermistors et capteurs de circuits intégrés. Les thermocouples sont généralement utilisés pour la détection de haute température ; RTD convient aux plages de température plus basses ; et les thermistances sont les capteurs privilégiés pour une détection précise dans une plage de températures étroite. Chaque type peut fournir des mesures suffisamment précises pour la plupart des applications, mais les ingénieurs font face à une série de défis pour générer des données de température fiables et précises.

　　Mesure de la température

　　Pour les concepteurs, la mise en œuvre d’applications de capteurs nécessite de construire des circuits de conditionnement de signal afin de fournir des données appropriées pour les applications en aval. En général, les circuits de conditionnement du signal doivent inclure des amplificateurs, des filtres, des comparateurs, des références de tension et des ADC dans le chemin du signal. De plus, selon le type de capteur, les concepteurs doivent traiter la compensation de température froide, fournir des sources d’excitation de courant ou de tension, et gérer les tables de consultation pour la linéarisation (Figure 1).

　　Ajout de fonctionnalités de mesure de température à la conception de capteurs de température sans fil de récolte d’énergie Figure 1 : En utilisant les capteurs de température traditionnels dans la conception, les ingénieurs doivent répondre aux exigences d’excitation et de charge des capteurs et construire une chaîne de signal capable de convertir les valeurs non linéaires des capteurs en données de température précises (fournies par Maxim Integrated). Bien que ces dispositifs soient très complexes et puissent être utilisés pour des opérations complexes de surveillance de température au niveau du système, les ingénieurs peuvent trouver des circuits intégrés de capteurs de température plus basiques. Ces dispositifs sont spécifiquement conçus pour la mesure de température, simplifiant la conception en combinant des capteurs de température intégrés à des circuits intégrés de conditionnement du signal, éliminant ainsi le besoin pour les concepteurs de résoudre des détails clés du conditionnement du signal et de la conversion de données dans des applications simples de capteurs. Ces dispositifs intégrés offrent une sortie analogique ou numérique, incluant toutes les fonctions de traitement du signal nécessaires pour produire une sortie linéaire précise sur une large plage de températures. Ces dispositifs réduisent généralement les besoins globaux en consommation d’énergie des capteurs et fournissent typiquement des modes ultra-faible de consommation requis pour les conceptions de capteurs sans fil utilisant la technologie de récolte d’énergie.

　　Le capteur de température Texas Instruments LM74 intègre un capteur de température à bande interdite et un ADC ΔΣ 12 bits, avec une logique de contrôle associée, des registres et une interface série trois fils compatible SPI (Figure 2). Par défaut, l’appareil s’allume en mode commutation continue,

　　Consommez 265μA (valeur typique) pour ajouter une fonctionnalité de mesure de température à la conception de capteurs de température sans fil de récolte d’énergie. Figure 2 : Les capteurs de température des circuits intégrés simplifient la conception des applications de détection de température en intégrant capteurs, régulation et circuits de conversion sur la puce (fournis par Texas Instruments). Cependant, comme les applications de détection de température nécessitent un échantillonnage périodique, les ingénieurs peuvent régler le LM74 en mode arrêt basse consommation, avec une consommation d’énergie inférieure à 10μA (valeur typique pour les boîtiers DSBGA à 3,3 V, et 8μA pour les boîtiers SOIC à 5 V). Dans ce mode, l’interface série reste active, et l’appareil conserve les dernières relevés de température dans ses registres internes. Ainsi, les ingénieurs peuvent appeler le LM74, effectuer les relevés de température et remettre l’appareil en mode arrêt. À tout moment, y compris pendant le mode arrêt, les MCU individuels peuvent utiliser des interfaces série pour collecter les dernières données de température.

　　Configurations diverses

　　Les ingénieurs peuvent trouver une grande variété de capteurs de température de circuits intégrés qui intègrent des chaînes de signaux complètes avec différentes zones (voir à nouveau la Figure 1), ainsi que des chaînes de signaux fournissant des fonctions supplémentaires. L’AD22100 de l’ADI offre une chaîne de signal analogique complète sans circuits analogiques supplémentaires pour l’ajustement fin, le tampon ou la linéarisation. Avec ce type d’appareil, les ingénieurs doivent fournir des capacités de conversion séparées, souvent en s’appuyant sur des MCU équipés d’ADC intégrés.

　　AD22100 fournit une sortie proportionnelle, la tension de sortie étant proportionnelle à la température de tension d’alimentation de l’appareil : lorsque l’appareil est alimenté par une seule alimentation +5,0 V, il oscille de 0,25 V à -50°C à +4,75 V à +150°C. L’utilisation de capteurs à rapport simplifie l’utilisation des ADC car la même alimentation peut servir de référence pour le ADC sans avoir besoin d’une référence de tension de précision séparée et coûteuse (Figure 3).

　　Ajout de fonctionnalités de mesure de température à la conception de capteurs de température sans fil de collecte d’énergie Figure 3 : Le AD22100 de l’ADI est le circuit intégré du capteur de température proportionnel, permettant la même alimentation +5 V pour les tensions de référence AD22100 et ADC sans avoir besoin d’une référence de tension de précision distincte (fournie par Analog Devices). De petites variations de tension d’alimentation ont peu d’impact car le AD22100 et le ADC utilisent l’alimentation comme référence. Pour les applications typiques de récolte d’énergie basées sur des MCU intégrés, les ingénieurs peuvent également utiliser des ADC intégrés aux MCU sans avoir besoin de références de tension précises, bien qu’un simple filtre RC puisse être nécessaire pour assurer une immunité aux pics de vitesse élevés. Broche d’entrée ADC du MCU.

　　De même, la série Microchip Technology MCP9700 propose une solution simple pour la mesure de la température. Basée sur la technologie de thermistance active linéaire de Microchip, la série de circuits intégrés de capteurs s’appuie sur la dépendance à la température des diodes internes pour générer des niveaux de tension de sortie dépendants de la température. Le coefficient de température de la diode interne fait que la tension de sortie est liée à la température ambiante relative entre -40° et 150°C. Pour MCP9700, les variations de tension dans cette plage de température peuvent être ajustées à un coefficient de température de 10,0 mV/°C (valeur typique). Bien que des circuits intégrés de gestion thermique très complexes puissent être utilisés, la plupart offrent des fonctions pour surveiller de grands systèmes, au-delà de la portée requise par les conceptions typiques de capteurs sans fil. Cependant, même des applications simples de détection de température peuvent comporter le risque de fonctionner avec des écarts de température au-delà des limites de conception. Pour ces applications, les concepteurs peuvent choisir des circuits intégrés à capteurs de température tels que le Texas Instruments (TI) LM75A, qui offrent une fonction de moniteur thermique sans la surcharge d’équipements de surveillance thermique plus complexes.

　　Les ingénieurs peuvent utiliser des dispositifs comme le LM75A pour mesurer la température, mais les circuits sensibles sont désactivés en cas de surchauffe. De même, la technologie Microchip TCN75A permet non seulement aux concepteurs de mesurer la température, mais surveille aussi les signaux d’alarme déclenchés lorsque la température dépasse un seuil défini.

　　Les circuits intégrés capteurs de température peuvent considérablement simplifier la mise en œuvre des applications de mesure de température. En revanche, ils utilisent des capteurs de température intégrés, ce qui signifie que si le chemin thermique optimal passe par leurs broches, les mesures de l’appareil reflètent finalement la température du PCB sur lequel il est monté (ou même de la puce elle-même). Par conséquent, les fabricants recommandent généralement d’utiliser des composants encapsulés dans du plastique, car le plastique agit comme un isolant thermique plus efficace entre le capteur et le circuit imprimé. Pour une isolation supplémentaire, les ingénieurs peuvent installer des circuits intégrés capteurs dans un boîtier thermoconducteur scellé et les placer dans des environnements d’intérêt.

　　Pour les applications nécessitant une isolation complète de la mesure thermique, les ingénieurs peuvent encore trouver des dispositifs intégrant une chaîne de signal complète mais s’appuyant sur des capteurs externes. Les MAX6682 intégrés Maxim et MAX6674 utilisent respectivement des thermistances externes et des thermocouples pour générer des données numériques de température. Les concepteurs n’ont qu’à connecter l’entrée de l’appareil au capteur de température approprié et à connecter la sortie trois fils compatible SPI de l’appareil au MCU pour obtenir un capteur de température complet (Figure 4).

　　Ajout de fonctionnalités de mesure de température à la conception de capteurs de température sans fil de capteurs de température sans fil Figure 4 : Les applications ne pouvant pas utiliser de capteurs intégrés peuvent être converties en CI intégrés, tels que Maxim Integrated MAX6682 et MAX6674, qui intègrent une chaîne de signal complète mais s’appuient respectivement sur des thermistances externes et des thermocouples externes (fournis par Maxim Integrated). » Résumé : Les circuits intégrés capteurs de température offrent une solution simple et à faible consommation pour des applications basiques de mesure de température. En intégrant les capteurs de température embarqués avec le niveau analogique ou même numérique de la chaîne de signal complète, ces dispositifs peuvent traiter les mesures de température comme des valeurs de sortie de tension ou des valeurs numériques finales. Avec les circuits intégrés de capteurs intégrés disponibles, les ingénieurs peuvent facilement ajouter des capacités de mesure de température à des conceptions de capteurs sans fil à faible consommation utilisant la technologie de récolte d’énergie.