ワイヤレス温度センサーのエネルギー収集設計に温度測定機能を追加する

　　温度モニタリングは幅広い用途で重要な役割を果たします。 電子システムの場合、規格を上回るか下回る温度は回路やシステムの公称性能に影響を与えることがあります。 これらの従来の熱管理アプリケーションを超えて、温度測定は時折のシステム監視機能から、モノのインターネット(IoT)などのアプリケーションにおける中核機能へと移行しています。 ここでは、ワイヤレス温度センサーがエネルギーハーベスティング技術を利用してセンサーデータの測定や無線送信に電力を供給しています。 これらの低消費電力設計のために、エンジニアはADI、Maxim Integrated、Microchip Technology、Texas Instrumentsなどの企業の集積センサーICを見つけることができます。

　　一般的な温度測定用途では、熱電対、RTD、サーミスタ、ICセンサーなど、さまざまな温度センサーから選択できます。 熱電対は通常高温検出に使用されます。 RTDは低温域に適しています。 そしてサーミスタは狭い温度範囲内での精密検出のために好まれるセンサーです。 各タイプはほとんどの用途で十分に正確な測定が可能ですが、エンジニアは信頼性が高く正確な温度データを生成する上で多くの課題に直面しています。

　　温度測定

　　設計者にとって、センサーの応用を実装するには、下流のアプリケーションに適したデータを提供する信号調整回路を構築する必要があります。 通常、信号調整回路には増幅器、フィルター、コンパレータ、電圧参照、ADCを信号経路に含める必要があります。 さらに、センサーの種類によっては、設計者は低温補償、電流または電圧励起源の提供、線形化のためのルックアップテーブルの管理が必要です(図1)。

　　ワイヤレス温度センサーのエネルギーハーベスティング設計に温度測定機能を追加する図1:従来の温度センサーを設計に用いるため、エンジニアはセンサーの励起および負荷要件を満たし、非線形センサー値を正確な温度データ(Maxim Integrated提供)に変換できる信号チェーンを構築する必要があります。 これらの装置は非常に複雑で、複雑なシステムレベルの温度監視作業に利用できますが、エンジニアはより基本的な温度センサーICを見つけることができます。 これらのデバイスは温度測定専用に設計されており、オンチップ温度センサーと集積信号調整回路を組み合わせることで設計を簡素化し、単純なセンサー用途での信号調整やデータ変換の重要な問題を設計者が解決する必要をなくします。 これらの集積デバイスはアナログまたはデジタル出力を提供し、広い温度範囲で正確な線形出力を生成するために必要なすべての信号処理機能を備えています。 これらのデバイスは通常、センサーの消費電力を削減し、エネルギーハーベスティング技術を用いたワイヤレスセンサー設計に必要な超低消費電力モードを提供します。

　　テキサス・インスツルメンツLM74温度センサーは、バンドギャップ温度センサーと12ビットΔΣ ADCを統合し、関連する制御ロジック、レジスタ、そしてSPI互換の3線式シリアルインターフェースを備えています(図2)。 デフォルトでは、デバイスは連続スイッチングモードで電源が入ります。

　　ワイヤレス温度センサーのエネルギーハーベスティング設計に温度測定機能を追加するために、265μA(典型値)を消費します。図2:IC温度センサーは、チップ上でセンサー、調整回路、変換回路を統合することで温度感知アプリケーションの設計を簡素化します(テキサス・インスツルメンツ提供)。 しかし、温度センシング用途では定期的なサンプリングが必要なため、エンジニアはLM74を低消費電力の電源オフモードに設定でき、消費電力は10μA未満(3.3VのDSBGAパッケージの典型値、SOICパッケージの5Vでは8μA)以下に設定できます。 このモードではシリアルインターフェースがアクティブのままで、デバイスは内部レジスタに最新の温度値を保持します。 したがって、エンジニアはLM74を呼び出して温度測定を行い、デバイスをシャットダウンモードに復元できます。 シャットダウンモード中を含め、いつでも個々のMCUはシリアルインターフェースを使って最新の温度データを収集できます。

　　多様な構成

　　エンジニアは、異なるゾーンを持つ完全な信号チェーンを統合した多様なIC温度センサー(図1参照)や、追加機能を提供する信号チェーンを見つけることができます。 ADIのAD22100は、ファインチューニング、バッファリング、線形化のための追加のアナログ回路を使わず、完全なアナログ信号チェーンを提供します。 この種のデバイスでは、エンジニアは別途変換機能を提供しなければならず、多くの場合、統合ADCを備えたMCUに依存します。

　　AD22100は、出力電圧が機器の電源電圧温度に比例する比例した出力を提供します。+5.0 V単一電源で駆動される場合、−50°Cで0.25Vから+150°Cで+4.75Vまで変動します。 比率センサーを使用することで、同じ電源がADCの基準として機能し、別途高価な精密電圧基準を必要とせずに済みます(図3)。

　　ワイヤレス温度センサーのエネルギーハーベスティング設計に温度測定機能を追加する図3:ADIのAD22100は比例温度センサーICであり、AD22100およびADC基準電圧に対して同じ+5V電源を、Analog Devices社が提供する別の精密電圧基準を必要としません。 電源電圧のわずかな変化はほとんど影響しません。なぜなら、AD22100とADCの両方が電源を基準として使用しているからです。 統合MCUに基づく典型的なエネルギーハーベスティング用途では、エンジニアも正確な電圧基準なしでMCU統合ADCを使用できますが、高速スパイクに対する耐性を提供するために単純なRCフィルターが必要になる場合があります。 MCUのADC入力ピン。

　　同様に、Microchip Technology MCP9700シリーズは温度測定の簡単な解決策を提供します。 マイクロチップのリニアアクティブサーミスタ技術に基づき、センサーICシリーズは内部ダイオードの温度依存性に依存して温度依存の出力電圧レベルを生成します。 内部ダイオードの温度係数により、出力電圧は-40°から150°Cの相対的な周囲温度に関連します。 MCP9700の場合、この温度範囲内の電圧変化は10.0 mV/°C(典型値)に調整できます。 非常に複雑なサーマルマネジメントICも使用可能ですが、多くは一般的な無線センサー設計で求められる範囲を超えた大規模システムの監視機能を提供します。 しかし、単純な温度感知用途でも、設計限界を超えた温度偏差を伴うリスクがあります。 これらの用途では、テキサス・インスツルメンツ(TI)LM75Aのような温度センサーICを選べます。これらは複雑な熱監視機器のオーバーヘッドなしに熱監視機能を提供します。

　　エンジニアはLM75Aのような装置を使って温度を測定できますが、過熱時に敏感な回路は無効化されます。 同様に、Microchip Technology TCN75Aは設計者が温度を測定できるだけでなく、温度が設定された閾値を超えた際にトリガーされるアラーム出力信号も監視します。

　　温度センサーICは温度測定アプリケーションの実装を大幅に簡素化できます。 一方で、オンチップ温度センサーを使用しており、最適な熱経路がピンを通過すれば、デバイスの測定値は最終的に取り付けられているPCBの温度(あるいはチップ自体)を反映します。 そのため、メーカーは通常、プラスチックでカプセル化された部品の使用を推奨します。プラスチックはセンサーとPCB間のより効果的な熱絶縁体として機能するためです。 さらに隔離のために、エンジニアはセンサーICを密閉された熱伝導性筐体に設置し、関心のある環境に配置することができます。

　　熱測定の完全な隔離が必要な用途においても、外部センサーに依存しつつも信号チェーン全体を統合する装置をエンジニアは見つけることができます。 マキシム・インテグレーテッドMAX6682とMAX6674は、それぞれ外部サーミスタと熱電対を用いてデジタル温度データを生成しています。 設計者は、デバイスの入力を適切な温度センサーに接続し、SPI互換の3線式出力をMCUに接続するだけで、完全な温度センサーを実現できます(図4)。

　　ワイヤレス温度センサーのエネルギーハーベスティング設計に温度測定機能を追加する図4:集積温度センサーを使えないアプリケーションは、Maxim Integrated MAX6682やMAX6674のように、完全な信号チェーンを統合しつつ外部サーミスタや熱電対(Maxim Integrated提供)に依存する集積ICに転換できます。 » 概要:温度センサーICは、基本的な温度測定用途において、シンプルで低消費電力のソリューションを提供します。 オンチップ温度センサーをアナログまたはデジタルレベルの信号チェーン全体と統合することで、これらのデバイスは温度測定値を電圧出力や最終デジタル値として扱うことができます。 利用可能な統合センサーICにより、エンジニアはエネルギーハーベスティング技術を用いた低消費電力ワイヤレスセンサー設計に温度測定機能を容易に追加できます。