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정확한 서미스터 기반 온도 감지 회로를 신속하게 제작

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글/Bonnie Baker, Digi-Key

 

온도 센서는 보정, 안전, HVAC(난방, 환기, 공조) 등 전자 산업의 다양한 응용 분야에서 가장 널리 사용되는 센서 중 하나이다. 폭넓게 사용되고 있음에도 불구하고 온도 센서와 그 구현은 설계자에게 최저 비용으로 가장 정확한 성능을 실현해야 한다는 부담을 줄 수 있다.
온도를 감지하는 방법은 많다. 가장 일반적인 방법은 서미스터, 저항 온도 감지기(RTD), 열전대, 실리콘 온도계 등과 같은 온도 센서를 사용하는 것이다. 하지만 올바른 센서를 선택하는 것은 솔루션의 일부에 지나지 않는다. 그런 다음 특정 감지 기술의 고유한 특성을 정확히 보정하여 온도를 디지털 방식으로 정확히 표현하면서 신호의 무결성을 유지하는 신호 체인에 센서를 연결해야 한다.
이 기사에서는 이러한 작업을 수행하는 USB 구동 회로 솔루션을 소개한다. 반비례 온도 계수(NTC) 서미스터를 Analog Devices ADuC7023BCPZ62I-R7 정밀 아날로그 마이크로 컨트롤러와 함께 사용하여 온도를 정확히 모니터링한다.

NTC 서미스터 특성

서미스터는 열에 민감한 저항기로서 정비례 온도 계수(PTC) 서미스터와 NTC 서미스터의 두 가지 유형이 있다. 다결정 세라믹 PTC 서미스터는 높은 PTC를 가지며 일반적으로 스위칭 응용 분야에서 사용된다. NTC 세라믹 반도체 서미스터는 저항 NTC가 높으므로 온도가 높아지면 저항이 감소한다. 따라서 정밀 온도 측정에 적합하다.
저항 대 온도, 전압 대 전류 및 시간 대비 전류의 세 가지 NTC 서미스터 작업 모드가 있다. 서미스터의 저항 대 온도 특성을 활용하는 모드가 가장 정밀한 결과를 제공한다. 저항 대 온도 회로는 “제로 출력” 조건에서 서미스터를 구성한다. “제로 출력” 조건에서는 장치의 전류 또는 여기 전압으로 인해 서미스터가 자가 가열되지 않는다고 가정한다.
Murata Electronics의 NCP18XM472J03RB 4.7kΩ 장치(0603 패키지)와 같은 일반 NTC 서미스터에서 저항 대 온도 반응은 매우 비선형적이다(그림 1).

[그림 1] 일반 NTC 서미스터의 저항 대 온도 반응은 비선형적이므로 설계자는 정의된 온도 범위에 대해 이 비선형성을 제어할 수 있는 방법을 찾아야 한다.

그림 1의 그래프는 4.7kΩ 서미스터의 높은 수준의 비선형성을 보여준다. 온도에 따라 NTC 서미스터의 저항이 감소하는 속도를 베타(ß) 상수라고 한다(그림에 표시되지 않음). Murata의 4.7kΩ 서미스터에서 β = 3500이다.
소프트웨어에서 고분해능 아날로그 디지털 컨버터(ADC)와 경험적 3차 다항식 또는 대조표를 사용하여 서미스터의 비선형적 반응을 바로잡을 수 있다. 하지만 ADC에 도달하기 전에 적용할 경우 ±25°C 온도 범위에 대한 서미스터의 선형화 문제를 제어할 수 있는 더 쉽고 저렴하면서 합리적인 하드웨어 기술이 있다.

하드웨어 선형화 솔루션

서미스터 출력의 첫 번째 수준 선형화에 접근하는 간단한 방법은 서미스터를 표준 저항기(1%, 금속 필름) 및 전압 소스와 직렬로 연결하는 것이다. 계열 저항기 값에 따라 서미스터 회로의 선형 영역 중간값이 결정된다. 서미스터의 저항값(RTH)과 Steinhart-Hart 방정식에 따라 서미스터의 온도가 결정된다(그림 2). Steinhart-Hart 방정식은 NTC 서미스터의 온도를 결정하는 데 가장 적합한 수학식인 것으로 확인되었다.

[그림 2] 전압 분배기(RTH 및 R25) 구성은 서미스터의 반응을 선형화한다. ADC 입력에서 ADC0의 선형 범위가 약 50°C 온도 범위 내에 있다.

서미스터의 실제 저항값 RTH를 파생하려면 먼저 전압 분배기의 출력(VADC0)을 정의한다. 그런 다음 VADC0을 사용하여 ADC의 디지털 출력 10진수 코드 DOUT을 찾다. 여기서 DOUT은 ADC 비트 수(N), ADC 최대 입력 전압(VREF) 및 ADC 입력 전압(VADC0)에 따라 달라집니다. 마지막으로 RTH를 찾는 세 번째 단계에서는 R25(또는 25°C RTH 값)를 ADC 코드 수와 ADC 디지털 출력 10진수 코드의 비율로 곱한다. 이 세 번째 단계 계산 프로세스는 아래 방정식 2로 시작된다.

이 계산의 마지막 단계에서는 앞서 언급한 Steinhart-Hart 방정식을 사용하여 서미스터 저항을 켈빈 단위 온도로 변환한다. ADuC7023 정밀 아날로그 마이크로 컨트롤러는 방정식 4를 사용하여 센서 온도를 결정한다.

여기서,
T2 = 측정 중인 서미스터 온도(켈빈 단위)
T1 = 298켈빈(25°C)
β = 298켈빈 또는 25°C에서 서미스터의 β 파라미터 β = 3500
R25 = 298켈빈 또는 25°C에서 서미스터 저항 R25 = 4.7kΩ
RTH = 알 수 없는 온도에서의 서미스터 저항, 방정식 3으로 계산

그림 2에서 서미스터 저항(RTH)은 25°C에서 4.7kΩ이다. R25 값은 서미스터의 25°C 값과 같으므로 전압 분배기의 선형 영역은 25°C를 중심으로 한다(그림 3).

[그림 3] 4.7kΩ 표준 저항기와 직렬로 연결되고 2.4V가 전압 분배기와 교차하는 4.7kΩ 서미스터의 선형 반응

그림 3에서 계열 서미스터 시스템은 약 0°C~+50°C의 제한된 온도 범위에 대해 온도에 선형적으로 반응한다. 이 범위에서 델타 온도 오차는 ±1°C이다. 선형화 저항기의 값(R25)은 해당 온도 범위의 중간점에서의 서미스터 크기와 같아야 한다.
이 회로는 일반적으로 R25 값에서 서미스터의 공칭 온도를 사용하여 ±25°C 온도 범위 전반에서 12비트 정밀도 수준을 확보한다.

USB 기반 온도 모니터

회로 솔루션의 신호 경로에서는 저가형 4.7kΩ 서미스터가 맨 앞에 오고 그 뒤에 Analog Devices의 저가형 ADuC7023 마이크로 컨트롤러가 온다. 이 마이크로 컨트롤러는 12비트 디지털 아날로그 컨버터(DAC) 4개, 다채널 12비트 연속 근사화 레지스터(SAR) ADC, 1.2V 내부 레퍼런스, ARM7® 코어, 126Kb 플래시, 8Kb SRAM(정적 랜덤 액세스 메모리) 및 다양한 디지털 주변 장치(UART, 타이머, SPI, 두 I2C 인터페이스 등)를 통합한다(그림 4).

[그림 4] 온도 감지 회로에서는 전력 공급을 위해 USB 연결을 사용하고, 디지털 통신을 위해 ADuC7034 마이크로 컨트롤러의 I2C 인터페이스를 사용한다.

그림 4에서 회로의 전력 및 접지는 4선 USB 인터페이스를 통해 완전히 처리된다. Analog Devices의 ADP3333ARMZ-5-R7 저드롭아웃 선형 조정기는 USB 5V 공급 전압을 사용하여 3.3V 출력을 생성한다. 정격 ADP3333 출력은 ADuC7023의 DVDD 전압을 공급한다. ADuC7023의 AVDD 공급에서는 그림과 같이 추가적인 필터링이 필요하다. 또한 선형 조정기는 USB 공급과 IN 핀 사이에 필터가 있다.
온도 데이터 교환은 USB D+ 및 D- 인터페이스 핀을 통해 이루어진다. ADuC7023은 I2C 프로토콜을 사용하여 데이터를 전송 및 수신할 수 있다. 이 응용 제품 회로에서는 2선 I2C 인터페이스를 사용하여 데이터를 전송하고 구성 명령을 수신한다.
이 응용 분야에서는 다음 ADuC7023 기능을 사용한다.
* 12비트 SAR ADC
* SRAM이 있는 Arm ARM7TDMI. 통합 62Kb 플래시는 ADC를 구성 및 제어하고, USB 인터페이스를 통해 통신을 관리하고, 서미스터 센서의 ADC 변환을 처리하는 사용자 코드를 실행한다.
* I2C 단자는 호스트 PC에 대한 통신 인터페이스이다.
* 두 외부 스위치 버튼(표시 안 됨)은 부품을 플래시 부트 모드로 강제 전환한다. 다운로드를 누르고 리셋 스위치를 켜면 일반 사용자 모드 대신 ADuC7023이 부트 모드로 전환된다. 장치에 연결된 I2CWSD 소프트웨어 도구를 통해 USB 인터페이스를 활용하여 부트 모드에서 내부 플래시를 다시 프로그래밍할 수 있다.
* VREF는 밴드갭 레퍼런스이다. 이 전압 레퍼런스는 시스템의 다른 회로 레퍼런스에 사용될 수 있다. 잡음 감소를 위해 최소 0.1μF 커패시터를 이러한 핀에 연결한다.
ADuC7023은 소형 폼 팩터(5mm × 5mm) 32핀 칩 스케일 패키지로 제공되므로 전체 회로가 PC 기판의 매우 작은 공간을 차지하여 비용과 공간을 절약할 수 있다.
ADuC7023은 강력한 ARM7 코어와 고속 SAR ADC를 탑재하고 있음에도 불구하고 저전력 솔루션을 제공한다. ARM7 코어가 5MHz로 작동하고 기본 ADC가 외부 서미스터를 측정하는 상태에서 전체 회로는 일반적으로 11mA를 소비한다. 온도 측정 중에 전력 소비를 줄이기 위해 마이크로 컨트롤러 및/또는 ADC의 전원을 끌 수 있다.

레이아웃 고려 사항

그림 4에 표시된 신호 처리 시스템은 매우 기만적인 측면이 있다. 위에서 내려다 보면 이 시스템은 단 세 개의 능동 기기를 포함한다. 하지만 이 단순성에 가려진 몇 가지 흥미로운 레이아웃 문제가 있다.
예를 들어, ADuC7023 마이크로 컨트롤러는 접지 규칙에 각별히 주의해야 하는 복잡한 아날로그 및 디지털 시스템이다. 이 시스템은 아날로그 영역에서 “느리게 이동”하는 것처럼 보일 수도 있지만, 기판 실장 트랙 앤 홀드 ADC는 최대 클록 속도가 41.78MHz이고 1msps(초당 메가 샘플 수) 속도로 샘플링하는 빠른 다중 채널 장치이다. 이 시스템에서 클록의 상승 및 하강 시간은 수 나노초에 불과한다. 이러한 속도로 인해 이 응용 분야는 고속 범주로 분류된다.
혼합 신호 회로는 특별한 주의가 필요한다. 다음은 주요 측면을 포괄하는 네 가지 점검 목록이다.
- 전해 커패시터 사용
- 더 작은 커패시터 선택
- 접지면 고려 사항
- 선택적 소형 페라이트 비드
대용량 전해 커패시터는 일반적으로 10mF~100mF 사이의 값에 사용되며 칩과의 거리가 2인치 이하이다. 이러한 커패시터는 전력 트레이스 유도 용량을 통해 들어오는 순간적인 전하 요구 사항을 충족하도록 전하 저장 장치 역할을 한다.
일반적으로 회로에서 0.01mF~0.1mF 사이의 소형 커패시터는 장치의 전력 핀에서 최대한 가깝게 실장된다. 이러한 커패시터의 목적은 고주파 잡음을 접지로 신속하게 전송하는 것이다.
감결합 커패시터 아래의 접지면은 고주파 전류를 분리하고 EMI/RFI 방출을 최소화한다. 또한 대규모 저임피던스 영역으로 구성되어야 한다. 유도 용량을 최소화하려면 통과 또는 짧은 트레이스를 통해 커패시터를 접지에 연결해야 한다.
그림 4의 감결합 커패시터 외에도 USB 케이블에 대한 EMI/RFI 보호를 위해 페라이트를 사용해야 한다. 이 회로의 페라이트 비드는 100MHz에서 임피던스가 1000Ω인 Taiyo Yuden의 BK2125HS102-T이다.

결론

온도 센서는 가장 널리 사용되는 센서 중 하나이지만 설계 요구 사항에 따라 설계자는 감지 정확성을 개선하면서 비용과 크기를 계속해서 줄여야 하는 어려움이 있다. 이러한 고려 사항을 감안하여 이 기사에서는 Analog Devices의 소형 12비트 ADC 및 고정밀 ADuC7023 마이크로 컨트롤러 솔루션을 사용하는 저전력 USB 기반 상용 서미스터 시스템의 구현에 대해 설명했다. 이 조합에서는 저항기를 성공적으로 이용하여 온도를 정확히 감지 및 모니터링하도록 비선형 동작으로 NTC 서미스터를 제어한다.

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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