CN111051831A - 基于电流的温度测量装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种与绝对温度成比例(PTAT)电流源，其用于高分辨率温度测量。将PTAT电流源联接到电容器固定量的时间，以便将电容器充电至与施加到电容器的电流成比例的电压，并因此与温度成比例。测量电容器上的电压，并且根据所测量的电压来计算或确定温度。

Description

基于电流的温度测量装置和方法
相关专利申请
本申请要求由James E.Bartling于2017年11月2日提交的标题为“基于电流的温度测量装置和方法(Current-Based Temperature Measurement Devices and Methods)”的共同拥有的美国临时专利申请序列号62/580,760的优先权，并且以引用方式并入本文以用于所有目的。
技术领域
本公开涉及温度测量装置和方法，并且更具体地，涉及基于电流的温度测量装置和方法，例如，使用与绝对温度成比例(PTAT)电流源进行温度测量。
背景技术
使用各种电子技术进行温度测量。例如，一些装置或技术采用基于电阻器的温度测量，例如，通过驱动具有固定电流源的电阻器、测量横跨电阻器的电压、以及确定作为所测量电压的函数的温度值。然而，基于电阻器的技术常常具有有限的准确度和/或有限的转换速度。
又如，电阻器分压器技术可用于温度测量，例如，通过在分压器电路中使用具有不同已知温度系数的电阻器。然而，该技术通常具有缓慢的响应时间、有限的准确度、和/或线性问题。
又如，一些装置或技术采用基于二极管的温度测量，例如，通过驱动具有固定电流源的二极管、测量横跨二极管的电压、以及确定作为所测量电压的函数的温度值。然而，基于二极管的技术常常具有缓慢的响应时间、有限的准确度、和/或低分辨率。
发明内容
因此，需要的是一种准确、快速、可靠且低成本的测量温度的方式。
根据一个实施方案，温度测量系统可包括：与绝对温度成比例(PTAT)电流源；电容器，所述电容器通过可控开关选择性地耦合到所述PTAT电流源；控制器，所述控制器被配置为控制所述开关，以将所述电容器耦合到所述PTAT电流源一段充电时间，其中所述电容器可在所述充电时间期间被充电至电压；模数转换器(ADC)，所述模数转换器具有耦合到所述电容器的输入，并且被配置用于在所述电容器上生成所述电压的数字表示；和电子电路，所述电子电路被配置为基于所述电容器上的所述电压的所述数字表示来计算温度。
根据另一个实施方案，与绝对温度零变化(ZTAT)电流接收器可被配置用于将电容器充电电流调节至所需值。根据另一个实施方案，PTAT和ZTAT电流可由带隙电路产生。根据另一个实施方案，可提供电流镜，以增加可得自PTAT电流源的电流。根据另一个实施方案，可提供电流镜，以调节PTAT电流源的温度系数。根据另一个实施方案，可提供电流镜，以增加ZTAT电流接收器的电流处理。
根据另一个实施方案，温度测量系统可具有温度测量分辨率，所述温度测量分辨率选自以下中的任一种：小于1℃、小于0.5℃、小于0.2℃、小于0.1℃、以及小于0.05℃。根据另一个实施方案，充电时间可选自以下中的任一种：小于1秒、小于100毫秒、小于10毫秒、小于1毫秒、小于100μs、小于10μs、小于1μs、以及小于100ns。根据另一个实施方案，充电时间可为约625ns。
根据另一个实施方案，温度测量系统可包括微控制器。根据另一个实施方案，微控制器可包括：微处理器；存储器，所述存储器耦合到所述微处理器，并且存储用于由所述电容器上的所述电压的所述数字表示确定所述温度的程序。根据另一个实施方案，微控制器可包括ADC和可控开关。根据另一个实施方案，可提供短路开关，以在充电时间期间在充电之前使电容器放电。根据另一个实施方案，控制器控制短路开关。
根据另一个实施方案，一种用于测量温度的方法可包括以下步骤：提供来自与绝对温度成比例(PTAT)电流源的电流；用来自所述PTAT电流源的电流对电容器充电一段充电时间；在所述充电时间之后测量所述电容器上的电压；以及将所测量的电压转换为温度。
根据该方法的另一个实施方案，将所测量的电压转换为温度的步骤可包括以下步骤：确定电容器上的参考电压，其中参考电压可等于来自PTAT电流源在某个温度下的电流乘以充电时间除以电容器的电容；确定所述PTAT电流源的电流/温度斜率；在所述充电时间内将所述电流/温度斜率转换为电压/温度斜率；以及根据参考电压和电压/温度斜率来计算温度。
根据该方法的另一个实施方案，将电容器充电电流调节至所需值的步骤可用与绝对温度零变化(ZTAT)电流接收器来完成。根据该方法的另一个实施方案，增加来自PTAT电流源的电流的步骤可用镜电流源来完成。根据该方法的另一个实施方案，增加PTAT电流源的温度系数的步骤可用镜电流源来完成。
根据又一个实施方案，用于测量温度的设备可包括：包括具有存储器的微处理器的微控制器，具有耦合到所述微处理器的输出端的模数转换器(ADC)，耦合到所述ADC的输入端的电容器，耦合在第一节点和电容器之间的第一开关，耦合在所述电容器和公共电压(接地)之间的第二开关，耦合到所述微处理器以及所述第一开关和第二开关的开关控制器，以及耦合到所述微处理器和所述定时器的定时器；以及耦合在供电电压和第一节点之间的与绝对温度成比例(PTAT)电流源；其中所述第一开关闭合某个时间，然后打开；所述ADC在所述某个时间之后测量所述电容器上的电压；并且微处理器将所测量的电压转换为温度。
根据另一个实施方案，第二开关可闭合，并且可在第一开关闭合之前使电容器放电。根据另一个实施方案，与绝对温度零变化(ZTAT)电流接收器可被配置用于将充电电流调节至电容器。
附图说明
通过参考以下结合附图进行的描述，可获得对本公开的更完整的理解，其中：
图1示出了根据本公开的特定示例性实施方案的基于PTAT的温度测量系统的示意性框图。
虽然本公开易受各种修改形式和替代形式的影响，但是其特定示例实施方案已经在附图中示出并且在本文中详细描述。然而，应当理解，本文对特定示例性实施方案的描述并非旨在将本公开限于本文所公开的形式。
具体实施方式
下文结合图1描述了本公开的示例性方面，其示出了根据示例性实施方案的用于使用PTAT电流源进行温度测量的示例性系统。
本公开的实施方案提供了使用与绝对温度成比例(PTAT)电流源来提供高分辨率温度测量的系统、装置和方法。一些实施方案使用PTAT电流源对电容器充电固定量的时间，以在电容器上施加与电流成比例的电压，并且因此与PTAT的温度成比例，该PTAT的温度可基本上与围绕其的温度相同。该电压可被测量，并且可根据所测量的电压来计算或确定温度。
一些实施方案利用由带隙产生的模拟信号。例如，带隙可被设计成产生横跨温度稳定的参考电压。此外，带隙可产生三种基本电流：
1.PTAT—与绝对温度成比例。PTAT提供与电流具有线性关系的电流。
2.ZTAT—与绝对温度零变化。ZTAT提供稳定且不随温度变化的电流。该电流可用于将温度测量电路的偏移调节至所需值，如下文所更完全地公开。
3.NTAT—与绝对温度成反比。NTAT提供相对于温度具有负系数的电流。
为了提供高分辨率的温度测量，本发明的一些实施方案(例如，下文所讨论的图1中所示的示例)利用由带隙产生的PTAT和ZTAT电流。例如，一些实施方案可使用ZTAT，以将偏移调节至期望的PTAT值，如下文所讨论。电流镜电路可与带隙组合使用，以提供具有更高电流容量的PTAT和/或ZTAT，并且调节PTAT和/或ZTAT的操作电流。另外，电流镜电路可对每个温度度的电流变化(例如，斜率微安/摄氏度(μA/℃))提供调节。每摄氏度和开氏度的Δ温度变化是相同的，并且将在本文中互换使用。
现在参见附图，示意性地示出了示例性实施方案的细节。附图中的相似元件将由相似数字表示，并且类似的元件将由具有不同的小写字母后缀的相似数字表示。
参考图1，示出了根据本公开的特定示例性实施方案的基于PTAT的温度测量系统的示意性框图。图1示出了根据示例性实施方案的使用PTAT和ZTAT电流源(例如，由带隙产生)的温度测量的示例性温度测量系统，一般由数字100表示。温度测量系统100可包括PTAT电流源120、ZTAT电流接收器122、电容器130、开关132和134、模数转换器(ADC)140、微处理器144、存储器142、定时器146和开关控制器148。除了PTAT 120和ZTAT 122之外，所有前述部件均可在微控制器102中提供。预期并且在本公开的范围内，电流镜可用于增加PTAT 120和/或ZTAT 122的电流输出/接收，以及从每个装置供应/接收的电流量。此外，可用相关联的电流镜来调节随温度变化(电流/温度传递斜率)的电流变化。
微处理器可指示开关控制148打开开关132并闭合开关134，以将电容器130上的电荷归零，然后打开开关134。微处理器可指示定时器146启动并且开关132闭合，然后在定时器146超时时打开开关132。这提供存储电压的电容器130的精确充电时间。ADC 140将该电压转换为提供给微处理器144的数字值。微处理器144由存储器142中的程序控制，该程序可用于将电容器电压的数字值转换为温度。ZTAT电流接收器122可被用作用于将电容器130的充电电流调节至所需值(从PTAT转移过量电流)的偏移。
电容器130可与和ADC 140相关联的样品和保持电容器集成或分离。开关132可由合适的控制电子器件控制，例如，微处理器144、定时器146和开关控制148，以在T1时闭合开关132并在一些预定持续时间之后(例如，由定时器146来确定)在T2时打开开关132，使得电容器130在充电时间T2-T1期间被充电。充电时间(经由开关132的打开和闭合)可基于来自定时器146的时钟信号来控制。系统100可对电容器130使用任何合适的充电时间，例如，用于下文示例中的625ns。
系统100的示例性实施方式可被配置如下。对于该示例性实施方式，两个公式适用：
(公式1)
Figure BDA0002395098420000061
其中I为电流，C为电容，V为电压，并且T为时间；
(公式2)I＝40*K，其中40为每K氏度40nA(斜率)，并且K为开氏温度。
在-40℃(摄氏度)下，根据公式2，电流为I＝40(273-40)或9.32微安(μA)。对于公式1使用：C＝5皮法(pF)，V＝0.2伏(V)，并且T＝625纳秒(ns)。因此I＝1.6μA。根据公式1和2，存在两个不同的I值1.6μA和9.32μA。9.32μA电流可由PTAT 120供应(图1)。可通过设定至7.72μA的ZTAT 122(图1)来处理差异，以便在233°K(-40℃)下提供1.6μA的期望电流。然后，最终公式为：
Figure BDA0002395098420000062
组合公式1和2
Figure BDA0002395098420000063
求解K
K＝(C*V/T)+偏移)-斜率
此外，所得斜率＝40nA/℃*625ns/5pF＝5.0毫伏(mV)/℃。换句话讲，PTAT电流源120表现出5.0mV/℃的电压/温度关系。注意，每摄氏度的温度变化与每开氏度的温度变化是相同的。
示例性3.3V、12位ADC提供3.3V/4096＝806微伏(μV)/计数(CNT)的ADC分辨率。因此，该示例性实施方式的温度分辨率＝(806μV/CNT/(5.0mV/℃)＝0.161℃/CNT。
应当理解，上述部件仅为示例。因此，可使用具有不同操作参数的不同PTAT电流源和ADC部件。
本发明可提供一个或多个优点。例如，本发明利用电流和温度之间的线性关系。又如，偏移和增益可容易地调节，以允许更大的温度分辨率。又如，本发明可提供快速测量，例如小于2μs。此外，本发明可具有非常小或最小的管芯面积冲击(例如，为了更好地解决而无需操作放大器)。此外，所公开的系统可产生比常规系统更少的噪声。此外，所公开的系统可比常规系统更容易校准。
已根据一个或多个优选的实施方案描述了本发明，并且应当理解，除了明确陈述的那些(例如，制造方法、按过程的产品等)之外，许多等同物、替代物、变化形式和修改是可能的并且在本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种温度测量系统，包括：
与绝对温度成比例(PTAT)电流源；
电容器，所述电容器通过可控开关选择性地耦合到所述PTAT电流源；
控制器，所述控制器被配置为控制所述开关，以将所述电容器耦合到所述PTAT电流源一段充电时间，其中所述电容器在所述充电时间期间被充电至电压；
模数转换器(ADC)，所述模数转换器具有耦合到所述电容器的输入，并且被配置用于在所述电容器上生成所述电压的数字表示；和
电子电路，所述电子电路被配置为基于所述电容器上的所述电压的所述数字表示来计算温度。
2.根据权利要求1所述的温度测量系统，其特征在于，还包括与绝对温度零变化(ZTAT)电流接收器，所述与绝对温度零变化(ZTAT)电流接收器被配置用于将电容器充电电流调节至所需值。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的温度测量系统，其特征在于，PTAT和ZTAT电流由带隙电路产生。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的温度测量系统，其特征在于，还包括第一电流镜，以增加能够得自所述PTAT电流源的电流。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的温度测量系统，其特征在于，还包括第二电流镜，以调节所述PTAT电流源的温度系数。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的温度测量系统，其特征在于，还包括第三电流镜，以增加所述ZTAT电流接收器的电流处理。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的温度测量系统，其特征在于，所述温度测量系统具有温度测量分辨率，所述温度测量分辨率选自以下中的任一种：小于1℃、小于0.5℃、小于0.2℃、小于0.1℃、以及小于0.05℃。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的温度测量系统，其特征在于，所述充电时间选自以下中的任一种：小于1秒、小于100毫秒、小于10毫秒、小于1毫秒、小于100μs、小于10μs、小于1μs、以及小于100ns。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的温度测量系统，其特征在于，所述充电时间为约625ns。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的温度测量系统，其特征在于，所述温度测量系统包括微控制器。
11.根据权利要求10所述的温度测量系统，其特征在于，所述微控制器包括：
微处理器；和
存储器，所述存储器耦合到所述微处理器，并且存储用于由所述电容器上的所述电压的所述数字表示确定所述温度的程序。
12.根据权利要求10-11中任一项所述的温度测量系统，其特征在于，所述微控制器包括所述ADC和所述可控开关。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的温度测量系统，其特征在于，还包括短路开关，以在所述充电时间期间在充电之前使所述电容器放电。
14.根据权利要求13所述的温度测量系统，其特征在于，所述控制器控制所述短路开关。
15.一种用于测量温度的方法，所述方法包括操作根据权利要求1-14所述的温度测量系统中的任一个的步骤。
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