무선 온도 센서의 에너지 수집 설계에 온도 측정 기능 추가하기

　　온도 모니터링은 다양한 응용 분야에서 중요한 역할을 합니다. 전자 시스템의 경우, 규격을 초과하거나 낮춘 온도가 회로와 시스템의 명목 성능에 영향을 줄 수 있습니다. 이러한 전통적인 열 관리 응용 분야를 넘어, 온도 측정은 가끔씩 하는 시스템 모니터링 기능에서 사물인터넷(IoT)과 같은 응용 분야의 핵심 기능으로 전환되었습니다. 무선 온도 센서는 센서 데이터 측정과 무선 전송을 위해 에너지 하베스팅 기술에 의존합니다. 이러한 저전력 설계를 위해 엔지니어들은 ADI, Maxim Integrated, Microchip Technology, Texas Instruments 등 회사의 통합 센서 IC를 찾을 수 있습니다.

　　일반적인 온도 측정 응용 분야에서는 열전대, RTD, 서미스터, IC 센서 등 다양한 온도 센서 중에서 선택할 수 있습니다. 열전쌍은 일반적으로 고온 감지에 사용됩니다; RTD는 낮은 온도 범위에 적합합니다; 그리고 서미스터는 좁은 온도 범위 내에서 정밀한 검출을 위한 선호되는 센서입니다. 각 유형은 대부분의 응용 분야에서 충분히 정확한 측정을 제공할 수 있지만, 엔지니어들은 신뢰할 수 있고 정확한 온도 데이터를 생성하는 데 여러 도전에 직면합니다.

　　온도 측정

　　설계자 입장에서는 센서 응용을 구현하기 위해 신호 조건 회로를 구축하여 하위 응용에 적합한 데이터를 제공해야 합니다. 일반적으로 신호 조절 회로에는 증폭기, 필터, 비교기, 전압 참조, ADC가 신호 경로에 포함되어야 합니다. 또한 센서 유형에 따라 설계자는 냉온 보상, 전류 또는 전압 여기 소스 제공, 선형화 조회 테이블 관리(그림 1)를 다뤄야 합니다.

　　무선 온도 센서의 에너지 하베스팅 설계에 온도 측정 기능 추가하기 그림 1: 전통적인 온도 센서를 설계에 사용하면서, 엔지니어들은 센서의 여기 및 부하 요구사항을 충족하고, 비선형 센서 값을 정확한 온도 데이터(Maxim Integrated에서 제공)로 변환할 수 있는 신호 체인을 구축해야 합니다. 이 장치들은 매우 복잡하며 복잡한 시스템 수준의 온도 모니터링 작업에 사용할 수 있지만, 엔지니어들은 더 기본적인 온도 센서 IC를 찾을 수 있습니다. 이 장치들은 온도 측정을 위해 특별히 설계되어 온칩 온도 센서와 통합 신호 조절 회로를 결합하여 설계를 단순화하여 단순한 센서 응용에서 신호 조절과 데이터 변환의 핵심 세부사항을 해결할 필요가 없습니다. 이 집적 장치들은 아날로그 또는 디지털 출력을 제공하며, 넓은 온도 범위에서 정밀한 선형 출력을 생성하는 데 필요한 모든 신호 처리 기능을 포함합니다. 이 장치들은 일반적으로 센서의 전체 전력 소비량을 줄이고, 에너지 하베스팅 기술을 이용한 무선 센서 설계에 필요한 초저전력 모드를 제공합니다.

　　텍사스 인스트루먼트의 LM74 온도 센서는 밴드갭 온도 센서와 12비트 ΔΣ ADC를 통합하며, 관련 제어 논리, 레지스터, 그리고 SPI 호환 3선 직렬 인터페이스(그림 2)를 갖추고 있습니다. 기본적으로 장치는 연속 전환 모드로 전원이 켜집니다.

　　무선 온도 센서의 에너지 하베스팅 설계에 온도 측정 기능을 추가하기 위해 265μA(일반적인 값)를 소비합니다. 그림 2: IC 온도 센서는 칩 내 센서, 조절 및 변환 회로를 통합하여 온도 감지 응용 설계를 단순화합니다(텍사스 인스트루먼트에서 제공). 하지만 온도 감지 응용은 주기적인 샘플링이 필요하기 때문에, 엔지니어들은 LM74를 저전력 전원 차단 모드로 설정할 수 있으며, 전력 소비는 10μA 미만(DSBGA 패키지의 일반적인 값은 3.3V, SOIC 패키지의 5V 기준 8μA)입니다. 이 모드에서는 직렬 인터페이스가 활성 상태로 유지되며, 장치는 내부 레지스터에 최신 온도 데이터를 유지합니다. 따라서 엔지니어들은 LM74를 호출해 온도 측정을 완료하고 장치를 종료 모드로 복원할 수 있습니다. 언제든지 종료 모드를 포함해 개별 MCU는 직렬 인터페이스를 사용하여 최신 온도 데이터를 수집할 수 있습니다.

　　다양한 구성

　　엔지니어들은 다양한 구역과 완전한 신호 체인을 통합한 다양한 IC 온도 센서를 찾을 수 있습니다(다시 그림 1 참조), 추가 기능을 제공하는 신호 체인도 있습니다. ADI의 AD22100은 미세 조정, 버퍼링, 선형화를 위한 추가 아날로그 회로 없이 완전한 아날로그 신호 체인을 제공합니다. 이러한 유형의 장치를 사용할 때, 엔지니어들은 별도의 변환 기능을 제공해야 하며, 종종 통합 ADC가 포함된 MCU에 의존합니다.

　　AD22100 비례 출력을 제공하며, 출력 전압은 장치의 공급 전압 온도에 비례합니다: 단일 +5.0 V 전원으로 전원을 공급받을 때, 출력은 -50°C에서 0.25V에서 +150°C에서 +4.75V까지 변동합니다. 비율 센서를 사용하면 동일한 전원 공급 장치가 별도의 값비싼 정밀 전압 참조 없이 ADC의 기준 역할을 할 수 있어 ADC 사용이 간소화됩니다(그림 3).

　　무선 온도 센서의 에너지 하베스팅 설계에 온도 측정 기능 추가 그림 3: ADI의 AD22100는 비례 온도 센서 IC로, 별도의 정밀 전압 참조(Analog Devices에서 제공)가 필요 없이, AD22100 및 ADC 기준 전압에 동일한 +5V 전원 공급을 가능하게 합니다. 전원 공급 전압의 작은 변화는 AD22100와 ADC 모두 전원 공급 장치를 기준으로 사용하기 때문에 큰 영향을 미치지 않습니다. 통합 MCU를 기반으로 한 일반적인 에너지 하베스팅 응용 분야에서는 엔지니어들이 정밀 전압 참조 없이도 MCU 통합 ADC를 사용할 수 있지만, 고속 스파이크에 대한 면역을 제공하기 위해 간단한 RC 필터가 필요할 수 있습니다. MCU ADC 입력 핀.

　　마찬가지로, 마이크로칩 테크놀로지 MCP9700 시리즈는 온도 측정을 위한 간단한 해결책을 제공합니다. 마이크로칩의 선형 능동 서미스터 기술을 기반으로 한 센서 IC 시리즈는 내부 다이오드의 온도 의존성을 이용해 온도 의존적인 출력 전압 레벨을 생성합니다. 내부 다이오드의 온도 계수는 출력 전압을 -40°에서 150°C 사이의 상대 주변 온도와 연관시킵니다. MCP9700의 경우, 이 온도 범위 내의 전압 변화는 10.0 mV/°C(일반적인 값)의 온도 계수로 조절할 수 있습니다. 고도로 복잡한 열 관리 IC도 사용할 수 있지만, 대부분은 일반적인 무선 센서 설계에서 요구하는 범위를 넘어서는 대규모 시스템 모니터링 기능을 제공합니다. 하지만 단순한 온도 감지 응용 분야조차도 설계 한계를 넘어서는 온도 편차로 동작할 위험이 있을 수 있습니다. 이러한 응용 분야에서는 Texas Instruments(TI) LM75A와 같은 온도 센서 IC를 선택할 수 있으며, 이는 복잡한 열 모니터링 장비의 오버헤드 없이 열 모니터링 기능을 제공합니다.

　　엔지니어들은 LM75A와 같은 장치를 사용해 온도를 측정할 수 있지만, 과열 시 민감한 회로는 비활성화됩니다. 마찬가지로, 마이크로칩 테크놀로지 TCN75A는 설계자가 온도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 온도가 설정된 임계값을 초과할 때 트리거되는 알람 출력 신호도 모니터링할 수 있습니다.

　　온도 센서 IC는 온도 측정 응용 장치의 구현을 크게 단순화할 수 있습니다. 반면, 온칩 온도 센서를 사용하여, 최적의 열 경로가 핀을 통과하면 장치의 측정값이 결국 장착된 PCB의 온도(또는 심지어 칩 자체)를 반영합니다. 따라서 제조업체들은 일반적으로 플라스틱 안에 캡슐화된 부품을 사용할 것을 권장하는데, 플라스틱이 센서와 PCB 사이에 더 효과적인 열 절연체 역할을 하기 때문입니다. 추가 격리를 위해 엔지니어들은 센서 IC를 밀폐된 열전도체 인클로저에 설치하고 관심 있는 환경에 배치할 수 있습니다.

　　열 측정의 완전한 격리가 필요한 응용 분야에서는 외부 센서에 의존하면서도 완전한 신호 체인을 통합하는 장치를 엔지니어들이 찾을 수 있습니다. 맥심 인테그레이션MAX6682과 MAX6674는 각각 외부 서미스터와 열전대를 사용해 디지털 온도 데이터를 생성합니다. 설계자는 장치의 입력을 적절한 온도 센서에 연결하고, 장치의 SPI 호환 3선 출력을 MCU에 연결하기만 하면 완전한 온도 센서를 만들 수 있습니다(그림 4).

　　무선 온도 센서의 에너지 하베스팅 설계에 온도 측정 기능 추가 그림 4: 통합 온도 센서를 사용할 수 없는 응용 분야는 Maxim Integrated MAX6682 및 MAX6674과 같이 완전한 신호 체인을 통합하지만 각각 외부 서미스터와 열전대(Maxim Integrated에서 제공)에 의존하는 통합 IC로 전환할 수 있습니다. » 요약: 온도 센서 IC는 기본 온도 측정 응용에 간단하고 저전력 솔루션을 제공합니다. 온칩 온도 센서를 전체 신호 체인의 아날로그 또는 디지털 레벨과 통합함으로써, 이 장치들은 온도 측정값을 전압 출력 또는 최종 디지털 값으로 처리할 수 있습니다. 통합 센서 IC를 통해 엔지니어들은 에너지 하베스팅 기술을 사용하는 저전력 무선 센서 설계에 온도 측정 기능을 쉽게 추가할 수 있습니다.