KR20160103980A - 집적된 디지털 온도 필터를 구비한 디지털 온도 센서 - Google Patents

집적된 디지털 온도 필터를 구비한 디지털 온도 센서 Download PDF

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Abstract

집적 온도 센서 디바이스는, 주위 온도에 대응하는 아날로그 신호를 제공하도록 구성된 온도 센서, 아날로그 신호를 수신하는 아날로그-디지털 변환기, 및 아날로그-디지털 변환기에 결합하는 프로그램 가능한 디지털 필터를 구비한다.

Description

집적된 디지털 온도 필터를 구비한 디지털 온도 센서{DIGITAL TEMPERATURE SENSOR WITH INTEGRATED DIGITAL TEMPERATURE FILTER}
본 출원은 2013년 12월 27일에 출원된 미국 가출원 번호 제61/921,167호의 우선이익을 주장하며, 상기 미국 가출원은 마치 본 명세서에 모두 기재된 것처럼 그 전체가 여기에 참조로서 통합된다.
본 발명은 디지털 온도 센서 디바이스들에 관한 것으로, 특히 집적된 디지털 온도 필터를 구비한 디지털 온도 센서에 관한 것이다.
다양한 집적 반도체 온도 센서들이 존재한다. 이러한 센서들은 소수의 핀들을 구비한 하우징에 이용 가능하고, 아날로그 또는 디지털 인터페이스 중 어느 하나를 제공할 수 있다. 아날로그 온도 센서들은 전형적으로 측정 온도에 비례하는 전압을 출력하고, 반면에 디지털 온도 센서들은 온도 값을 디지털 값으로 인코딩하고 인코딩된 값을 예를 들어 직렬 인터페이스를 이용하여 프로세서에 제공하도록 설계된 디지털 인터페이스를 제공한다. 핀들의 수를 소수로 유지하기 위해, 이들 디지털 온도 센서들은 종종 단선식 인터페이스를 사용한다. 하지만, 다른 디바이스들은 하나보다 많은 선을 가진 인터페이스들을 사용할 수 있다. 이러한 디지털 온도 센서들은 간편하여 많은 애플리케이션에 사용될 수 있지만, 특정 애플리케이션들에는 온도 값들의 후속 처리가 추가로 필요로 할 수 있다.
그러므로 향상된 디지털 온도 센서가 요구된다.
일 실시예에 따르면, 집적 온도 센서 디바이스는 주위 온도에 대응하는 아날로그 신호를 제공하도록 구성된 온도 센서; 상기 아날로그 신호를 수신하는 아날로그-디지털 변환기; 및 상기 아날로그-디지털 변환기에 결합하는 프로그램 가능한 디지털 필터를 포함할 수 있다.
추가 실시예에 따르면, 상기 온도 센서는 센서 요소; 및 상기 센서 요소와 결합하는 센서 조절 회로를 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 센서 요소는 반도체 다이오드일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 집적 온도 센서 디바이스는 상기 아날로그-디지털 변환기의 출력 값을 저장하기 위해 상기 아날로그-디지털 변환기와 결합하는 제1 레지스터를 더 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 집적 온도 센서 디바이스는 상기 필터링된 온도 값을 저장하기 위해 상기 프로그램 가능한 디지털 필터와 결합하는 제2 레지스터를 더 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 집적 온도 센서 디바이스는 상기 프로그램 가능한 디지털 필터의 필터 계수들을 저장하기 위해 상기 프로그램 가능한 디지털 필터와 결합하는 제어 레지스터를 더 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제어 레지스터는 상기 프로그램 가능한 디지털 필터를 디스에이블하도록 구성될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제어 레지스터는 상기 프로그램 가능한 디지털 필터를 디스에이블하도록 0으로 설정될 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 제어 레지스터는 복수의 소정의 필터 계수들 중 하나를 선택할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 아날로그-디지털 변환기는 초당 약 200번 변환들을 제공하도록 동작 가능한 고속 아날로그-디지털 변환기일 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 집적 온도 센서 디바이스는 직렬 인터페이스를 더 포함할 수 있다. 추가 실시예에 따르면, 상기 직렬 인터페이스는 SPI, I2C 또는 단선식 직렬 인터페이스로 이루어진 그룹으로부터 선택될 수 있다.
또 하나의 실시예에 따르면, 집적 온도 센서 디바이스를 동작시키기 위한 방법은 아날로그-디지털 변환기가 센서 요소에 의해 제공된 아날로그 값을 디지털 온도 값으로 변환하는 단계; 관련된 온도 레지스터에 상기 디지털 온도 값을 저장하는 단계; 상기 디지털 온도 값을 디지털 필터에 공급하는 단계; 및 필터링된 온도 값을 관련 필터링된 온도 레지스터에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 센서 요소는 반도체 다이오드이다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 방법은 필터 계수들을 선택하기 위해 상기 디지털 필터와 결합하는 제어 레지스터에 제어 값을 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 관련된 제어 값이 0일 때에는 상기 제어 레지스터가 상기 디지털 필터를 디스에이블하도록 구성된다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 제어 값은 상기 제어 레지스터의 복수의 비트들에 저장된다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 제어 레지스터는 복수의 소정의 필터 계수들 중 하나를 선택한다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 온도 레지스터 및 상기 필터링된 온도 레지스터 중 적어도 하나는 상기 집적 온도 센서 디바이스의 직렬 인터페이스를 통해 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러에 의해 판독될 수 있다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 직렬 인터페이스는 SPI, I2C 또는 단선식 직렬 인터페이스로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 상기 방법의 추가 실시예에 따르면, 상기 아날로그-디지털 변환기는 초당 약 200번 변환들을 제공하도록 동작 가능한 고속 아날로그-디지털 변환기이다.
도 1은 다양한 실시예들에 따른 블록도를 도시한다.
도 2는 여러 가지 필터 계수들에 대한 전달 함수를 묘사하는 그래프를 도시한다.
다양한 실시예에 따르면, 디지털 온도 센서는 사용자로 하여금 온도 센서 감도를 제어하게 할 수 있는 디지털 필터 특징부를 포함할 수 있다. 다양한 실시예에 따르면, 이러한 여러 가지의 필터들이 구현될 수 있다. 가장 낮은 필터 설정 값은 인해 사용자로 하여금 빠른 온도 천이들을 검출하게 할 수 있고, 가장 높은 필터 설정 값은 센서 감도를 감소시키고 온도의 점진적인 변화를 출력한다. 온도 센서는 예를 들어 디바이스의 직렬 인터페이스를 통해 구성될 수 있는 구성 레지스터를 포함하여 구성될 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 이러한 저전력의 디지털 온도 센서는 종래의 디바이스들보다 더 빠른 속도, 예를 들면 고 분해능 온도 데이터를 위해 (전형적으로) 5ms 간격 또는 초당 200번으로 온도 데이터를 출력할 수 있다. 이 비율은 종래의 온도 센서의 비율보다 대략 25배 빠르다. 이런 고속 변환비로 인해, 디바이스는 저전력 또는 운전 정지 모드와 함께 사용될 때에 전체 동작 전력을 절약하는 온도 변환 모드에서 더 적은 시간을 사용한다. 하지만, 빠른 온도 변환으로 인해, 애플리케이션으로부터 빠른 온도 천이들이 검출될 수 있어 디바이스는 잘못된 온도 경보를 출력할 수 있다. 해결책은 사용자가 필터 계수 또는 필터 강도를 조절할 수 있는 옵션들을 구비한 집적된 디지털 필터를 구현하는 것이다.
전형적으로, 애플리케이션이 디지털 필터를 요구하면, 마이크로컨트롤러는 온도 데이터를 처리하고 필터링하는데 사용된다. 다양한 실시예에 따르면, 마이크로컨트롤러는 온도 센서보다 상당히 높은 동작 전류 또는 전력을 소비한다. 그러므로, 이런 집적 특징은 마이크로컨트롤러의 관련된 처리 요구 사항들을 제거하고, 다양한 실시예에 따른 디지털 온도 센서를 극히 낮은 전력 애플리케이션에 이상적인 것으로 만든다.
일부 실시예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같은 다양한 실시예에 따른 온도 센서(100)를 위하여 몇 개의 블록들: 본래의 센서(110) 및 관련된 조절(conditioning) 회로(120), 아날로그-디지털 변환기(130) 및 사용자 프로그램 가능한 레지스터들(140)이 존재할 수 있다. 다이오드(110)는 이 예시에서 온도를 측정하기 위해 사용될 수 있고, 센서 조절 회로(120)는 센서 다이오드(110)를 바이어싱하고 다이오드 전압을 측정 가능한 레벨들로 스케일링하기 위해 사용된다. 하지만, 다른 실시예에 따르면, 다른 종류의 센서들 및 필요하다면 조절 회로들이 사용될 수 있다. 기본적으로, 온도 센서는 아날로그 신호, 예를 들면 온도 값으로 쉽게 변환될 수 있는 전압 또는 전류를 제공한다. 아날로그 값은 온도에 비례할 수 있거나 공지된 선형 또는 비선형 관련 값일 수 있다. 예를 들어, 메모리에 저장된 테이블들이 아날로그 값에 대응하는 온도 값을 검색하기 위해 센서 디바이스 내에서 사용될 수 있다.
아날로그-디지털 변환기(130)는 주변 온도 데이터를 디지털 포맷으로 변환하기 위해 사용된다. 디지털 온도 데이터는 사용자 주변 온도 데이터 레지스터(142)에서 사용자에게 이용 가능하다. 온도 센서는 레지스터들(140)을 통해 구성되도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 동작 모드, 예컨대 온도 값들이 요청시에만 송신되는 요청 모드 또는 온도 값들이 소정의 간격으로 자동으로 송신되는 자동 송신 모드가 이용 가능하다. 구현될 수 있는 또 다른 하나의 동작 모드는 온도 센서 디바이스로부터 새로운 데이터가 판독될 수 있다는 통지 신호를 마이크로컨트롤러 또는 프로세서에 제공할 것이다. 또 다른 하나의 모드에 따르면, 일단 소정의 델타 온도가 검출되면 새로운 온도 값의 자동 송신이 일어날 것이고, 또는 통지 모드와 결합될 때에는 온도 센서는 소정의 델타 또는 절대 온도 값을 초과한 새로운 온도를 통지할 수 있을 것이다. 다른 동작 모드들이 구현될 수 있다. 일부 실시예에 따르면, 다수의 동작 모드들이 위에서 설명한 바와 같이 구현될 수 있고, 여기서 사용자는 복수의 동작 모드들 중 하나를 프로그램에 의해(programmably) 선택할 수 있다.
다양한 실시예에 따르면, 디지털 필터 블록(150)이 제공되고, 여기서 주변 온도 디지털 데이터는 디지털 필터(150)의 필터 엔진을 통과한다. 필터 계수들 또는 필터 강도는 사용자가 필터 계수 데이터 레지스터(144)를 사용하여 조절될 수 있다. 필터링된 데이터는 이후 필터링된 온도 레지스터에서 이용 가능하다.
이러한 배열은 극히 낮은 전력으로 온도 관리를 가능케 한다. 다양한 실시예에 따른 센서(100)는 잘못된 경보들을 방지하기 위해 온도 데이터를 필터링하고, 종래 디바이스보다 약 25배 빠르며, 여기서 온도 센서(100)의 짧은 동작시간은 전력을 절약한다.
전형적인 마이크로컨트롤러 태스크는 잘못된 온도 경보들을 감소시키기 위해 다수의 판독 값들을 평균화하여 온도 데이터를 조절하는 것(conditioning)을 포함하며, 이것은 마이크로컨트롤러에 의해 (센서보다 더 많이) 전력을 소비한다. 빠른 변환 시간은 시스템의 열 잡음을 측정하는데 대한 감도를 증가시킨다. 사용자 프로그램 가능한 필터 강도를 가진 추가된 디지털 필터(150)로 인해, 디바이스는 온도 센서 내의 열 데이터를 관리할 수 있기 때문에, 이 과제를 수행하기 위해 마이크로컨트롤러가 웨이크-업하지 않아도 된다.
표 1은 다양한 실시예에 따른 도 1에 도시된 바와 같은 온도 센서(100)에서 사용될 디지털 필터의 예시를 제시한다.
Figure pct00001
따라서, 제어 레지스터(144), 예를 들어 표 1에 표시된 제어 레지스터 비트 6-4에 저장된 값들은 복수의 소정의 필터 계수들 중 하나를 선택하기 위한 인덱스로서 사용된다. 다양한 실시예에 따라 다른 비트들이 사용될 수 있으며, 상술한 특정 비트들은 단지 예시이다. 따라서, 사용자는 특정 필터 기능을 작동시키기 위해 단지 선택 번호를 저장하면 된다. 인덱스가 0과 같으면, 전체 필터는 디스에이블될 것이다. 하지만, 다른 실시예들은 서로 다른 구성 프로세스를 사용할 수 있다. 예를 들어, 필터는 복수의 가변 파라미터들을 가질 수 있으며, 사용자는 다수의 레지스터들내로 이들 파라미터를 직접 프로그램해 넣을 수 있다. 이 옵션은 사용자에게 필터에 대한 더 많은 제어를 제공하는 반면, 이 옵션은 또한 더 복잡한 셋-업 절차를 수반할 것이다. 두 종류 이상의 필터 또는 다른 추가의 기능들이 구현될 수 있으며, 사용자는 복수의 필터들 또는 후처리 루틴들 중 하나를 선택하는 기회를 가질 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시예에 따른 디지털 온도 센서 디바이스는 추가의 평균화 루틴들과, 선택 가능하거나 미리 정해진 평균화 번호들을 저장하는 관련된 레지스터들을 가질 수 있다. 중간(mean) 또는 기하 평균 및 선택적인 다른 통계 값들을 계산하는 다수의 평균화 루틴들이 구축될 수 있다.
이 실시예에서, 필터는 무한 임펄스 응답 저역 통과 필터이다. 일 실시예에 따르면, 8개의 서로 다른 필터 계수 설정값들이 제공될 수 있다. 제어 레지스터(144)의 3개 비트들은 상술한 바와 같이 이들 옵션들을 제공할 수 있다. 하지만, 더 많거나 더 적은 옵션들이 다른 실시예들에 따라 제공될 수 있다. 또한, 제어 레지스터는 상술한 동작 모드와 같은 다른 구성들에 사용될 수 있는 더 많은 비트들을 가질 수 있다. 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 필터 계수가 0으로 설정되면, 어떤 필터 기능도 적용되지 않을 것이다. 따라서 이 설정값은 디스에이블 기능으로 사용될 수 있다. 나머지 7개의 설정값들은 최소로부터 최대 필터 기능에 걸친다(span).
또한, 디지털 온도 센서(100)는 필터 기능을 수행하기 위한 제어 로직(160)을 구비할 수 있고, 또한 외부 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러(180)와 통신하기 위해 예를 들어 디지털 직렬 인터페이스(170)를 포함할 수 있다. 직렬 인터페이스(170)에 의하여, 기능성, 예를 들어 디지털 필터 기능을 설정하고 그리고 적어도 하나 이상의 온도 레지스터들(140)로부터 온도 데이터를 판독하도록 모든 레지스터(140)에 접근(access) 할 수 있다. 이 직렬 인터페이스는 임의의 종류의 직렬 인터페이스, 예를 들어 직렬 주변기기 인터페이스(SPI), I2C 인터페이스, 또는 특히 임의의 종류의 단선식 인터페이스들(예컨대 UNI/O, 1-WIRE 등)일 수 있다. 또한, 외부 핀들의 수를 더욱 감소시키기 위해 단일 통신선을 통해 전원 공급이 가능한 직렬 인터페이스가 사용될 수 있다. 다른 기능부들은 상술한 바와 같이 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 측정된 온도는 별개의 레지스터(142)에 저장될 수 있으며, 필터링된 온도 값은 또 하나의 레지스터(146)에 저장될 수 있다. 아날로그-디지털 변화기, 예를 들어 속도와 분해능을 제어하기 위한 추가의 제어 레지스터들이 존재할 수 있다.
전형적으로, 종래의 디지털 센서들의 온도 변환비는 고 분해능 데이터 디바이스들에서 초당 약 4 내지 8번이다. 이 더딘 변환시간 동안에 이 디바이스는 연속적인 전류를 소비하고, 그리고 디지털 필터가 마이크로컨트롤러에 의해 구현되면 컨트롤러는 센서 변환 시간의 몇 분의 몇 이내의 온도 데이터 또는 전력을 측정하고 필터링할 수 있다. 그러므로 느린 변환 시간 센서들을 구비한 집적된 디지털 필터를 구현함에 있어서 장점이 많지 않다. 그러나 다양한 실시예에 따른 온도 센서의 빠른 변환 시간을 이용하면 전력을 절약할 수 있고, 필터 특징부는 컨트롤러로부터의 데이터 처리 요구를 오프-로드함으로써 전력을 절약한다.
도 2는 여러 가지 설정 값에 의거한 무한 임펄스 응답(IIR) 저역 통과 필터를 도시한다. 필터링된 온도는 다음과 같이 처리될 것이다:
Figure pct00002
이 수학식 1은 다음과 같이 단순화될 수 있다:
Figure pct00003
여기서 a=1/2n이고, n은 사용자가 선택 가능한 필터 계수이다.

Claims (21)

  1. 집적 온도 센서 디바이스로서,
    주위 온도에 대응하는 아날로그 신호를 제공하도록 구성된 온도 센서;
    상기 아날로그 신호를 수신하는 아날로그-디지털 변환기; 및
    상기 아날로그-디지털 변환기에 결합하는 프로그램 가능한 디지털 필터를 포함하는 집적 온도 센서 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도 센서는:
    센서 요소; 및
    상기 센서 요소와 결합하는 센서 조절 회로를 포함하는 집적 온도 센서 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 센서 요소는 반도체 다이오드인 집적 온도 센서 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환기의 출력 값을 저장하기 위해 상기 아날로그-디지털 변환기와 결합하는 제1 레지스터를 더 포함하는 집적 온도 센서 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 필터링된 온도 값을 저장하기 위해 상기 프로그램 가능한 디지털 필터와 결합하는 제2 레지스터를 더 포함하는 집적 온도 센서 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프로그램 가능한 디지털 필터의 필터 계수들을 저장하기 위해 상기 프로그램 가능한 디지털 필터와 결합하는 제어 레지스터를 더 포함하는 집적 온도 센서 디바이스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어 레지스터는 상기 프로그램 가능한 디지털 필터를 디스에이블하도록 구성되는 집적 온도 센서 디바이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어 레지스터는 상기 프로그램 가능한 디지털 필터를 디스에이블하도록 0으로 설정되는 집적 온도 센서 디바이스.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제어 레지스터는 복수의 소정의 필터 계수들 중 하나를 선택하는 집적 온도 센서 디바이스.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환기는 초당 약 200번 변환들을 제공하도록 동작 가능한 고속 아날로그-디지털 변환기인 집적 온도 센서 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    직렬 인터페이스를 더 포함하는 집적 온도 센서 디바이스.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 직렬 인터페이스는 SPI, I2C 또는 단선식 직렬 인터페이스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 집적 온도 센서 디바이스.
  13. 집적 온도 센서 디바이스를 동작시키기 위한 방법으로서,
    아날로그-디지털 변환기가 센서 요소에 의해 제공된 아날로그 값을 디지털 온도 값으로 변환하는 단계;
    관련된 온도 레지스터에 상기 디지털 온도 값을 저장하는 단계;
    상기 디지털 온도 값을 디지털 필터에 공급하는 단계; 및
    필터링된 온도 값을 관련 필터링된 온도 레지스터에 저장하는 단계를 포함하는 집적 온도 센서 디바이스 동작 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 센서 요소는 반도체 다이오드인 집적 온도 센서 디바이스 동작 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    필터 계수들을 선택하기 위해 상기 디지털 필터와 결합하는 제어 레지스터에 제어 값을 저장하는 단계를 더 포함하는 집적 온도 센서 디바이스 동작 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    관련된 제어 값이 0일 때에는 상기 제어 레지스터가 상기 디지털 필터를 디스에이블하도록 구성되는 집적 온도 센서 디바이스 동작 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제어 값은 상기 제어 레지스터의 복수의 비트들에 저장되는 집적 온도 센서 디바이스 동작 방법.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 제어 레지스터는 복수의 소정의 필터 계수들 중 하나를 선택하는 집적 온도 센서 디바이스 동작 방법.
  19. 제13항에 있어서,
    상기 온도 레지스터 및 상기 필터링된 온도 레지스터 중 적어도 하나는 상기 집적 온도 센서 디바이스의 직렬 인터페이스를 통해 마이크로프로세서 또는 마이크로컨트롤러에 의해 판독될 수 있는 집적 온도 센서 디바이스 동작 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 직렬 인터페이스는 SPI, I2C 또는 단선식 직렬 인터페이스로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 집적 온도 센서 디바이스 동작 방법.
  21. 제13항에 있어서,
    상기 아날로그-디지털 변환기는 초당 약 200번 변환들을 제공하도록 동작 가능한 고속 아날로그-디지털 변환기인 집적 온도 센서 디바이스 동작 방법.
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