正確なサーミスタベースの温度検出回路を迅速に作成

温度センサは、電子産業で最も広く使用されているセンサの1つで、アプリケーションは較正、安全性、暖房、換気、および空調（HVAC）まで多岐にわたります。広く使用されているにもかかわらず、温度センサとその実装は、可能な限り低いコストで最高精度の性能を達成することにおいて、設計者に課題を提示する可能性があります。

温度を感知する方法はいくつかあります。最も一般的な方法では、サーミスタ、測温抵抗体（RTD）、熱電対、シリコン温度計などの温度センサを使用します。ただし、正しいセンサを選択することは解決策の一部にすぎません。センサは、温度の正確なデジタル表現を確実にするために特定の検知技術の独自の特性を正確に補償しながら、信号の完全性を維持する信号チェーンに接続されなければなりません。

この記事では、この課題を解決するためのUSB給電回路ソリューションを紹介します。Analog DevicesのADuC7023BCPZ62I-R7高精度アナログマイクロコントローラと組み合わせた負温度係数（NTC）サーミスタを使用して、温度を正確に監視します。

NTCサーミスタ特性

サーミスタは熱に敏感な抵抗器で、その中には正温度係数（PTC）サーミスタとNTCサーミスタの2つのタイプがあります。多結晶セラミックPTCサーミスタは、高いPTCを持ち、通常はスイッチングアプリケーションに使用されます。NTCセラミック半導体サーミスタは高抵抗のNTCを持っているので、その抵抗値は温度の上昇とともに減少します。これにより、精密な温度測定に適しています。

NTCサーミスタの動作モードには、抵抗値対温度、電圧対電流、および時間にわたる電流の3つがあります。サーミスタの抵抗値対温度特性を利用するモードは、最高精度の結果をもたらします。

抵抗値対温度回路は、サーミスタを「ゼロ電力」状態に設定します。「ゼロ電力」状態は、デバイスの電流または電圧励起がサーミスタを自己発熱させないことを前提としています。

Murata ElectronicsのNCP18XM472J03RB 4.7キロオーム（kΩ）デバイス（0603パッケージ）などの標準的なNTCサーミスタでは、抵抗値対温度応答は非常に非線形です（図1）。

図1：標準的なNTCサーミスタの抵抗値対温度応答は非常に非線形であるため、設計者はこの非線形性を定義された温度範囲で制御する方法を見つける必要があります。（画像提供：Bonnie Baker、Murataからの抵抗値に基づいて計算および描画）

図1のグラフは、4.7kΩのサーミスタの高度の非線形性を示しています。NTCサーミスタの抵抗値が温度とともに減少する速度は、ベータ（β）と呼ばれる定数です（図には示されていません）。Murataの4.7kΩサーミスタの場合、β = 3500です。

サーミスタの非線形応答の補正は、高分解能A/Dコンバータ（ADC）と経験的な3次多項式またはルックアップテーブルを使ってソフトウェアで行うことができます。

ただし、ADCに到達する前に適用すると、サーミスタの線形化問題を±25°Cの温度範囲で制御できる、合理的かつ簡単で、安価なハードウェア手法があります。

ハードウェア線形化ソリューション

サーミスタ出力を第1レベルで線形化する簡単な方法は、サーミスタを標準抵抗器（1%、金属膜）および電圧源と直列に配置することです。直列抵抗の値によって、サーミスタ回路の線形領域の中央値が決まります。サーミスタの抵抗値（R_TH）とSteinhart-Hartの式によって、サーミスタの温度が決まります（図2）。Steinhart-Hartの式は、NTCサーミスタの温度を決定するための最良の数式です。

図2：分圧器（R_THとR₂₅）構成はサーミスタの応答を線形化します。ADC0（ADC入力で）のリニア範囲は約50°Cの温度範囲内です。（画像提供：Bonnie Baker）

サーミスタの抵抗の実際値R_THの導出は、まず分圧器の出力（V_ADC0）を定義することから始まります。次にV_ADC0を使用してADCのデジタル出力10進コードD_OUTを見つけます。ここで、D_OUTはADCビット数（N）、ADC最大入力電圧（V_REF）、およびADC入力電圧（V_ADC0）によって異なります。R_THを求める最後のステップは、R₂₅（または25°CのR_TH値）にADCコードの数とADCのデジタル出力10進コードの比を掛けます。この第3段階計算プロセスは、下記の式2から始まります。

計算の最後のステップは、前述のSteinhart-Hartの式を使用してサーミスタ抵抗をケルビン単位で温度に変換することです。ADuC7023高精度アナログマイクロコントローラは、式4を使ってセンサ温度を決定します。

式4

式の要素の意味は次のとおりです。

T₂ = 測定中のサーミスタ温度（ケルビン単位）

T₁ = 298ケルビン（25°C）

β = サーミスタのβパラメータ @ 298ケルビンまたは25°C。β = 3500

R₂₅ = サーミスタ抵抗値 @ 298ケルビンまたは25°C。R₂₅ = 4.7kΩ

R_TH = 式3で計算される、未知の温度でのサーミスタの抵抗値

図2では、サーミスタ抵抗値（R_TH）は25°Cで4.7kΩです。R₂₅の値はサーミスタの25°Cの値に等しいので、分圧器の直線領域は25°Cを中心にしています（図3）。

図3：4.7kΩの標準抵抗と直列に接続された4.7kΩのサーミスタの線形応答と分圧器両端の2.4V。（画像提供：Bonnie Baker、Murataからの抵抗値に基づいて計算および描画）

図3では、直列サーミスタシステムは約0°C～+50°Cの限られた温度範囲で温度に直線的に応答します。この範囲では、デルタ温度誤差は±1°Cです。線形化抵抗の値（R₂₅）は、対象となる温度範囲の中間点におけるサーミスタの大きさに等しくなければなりません。

この回路は、サーミスタの公称温度がR₂₅の値で、標準±25°Cの温度範囲で12ビットの精度を達成します。

USBベースの温度モニタ

回路ソリューションの信号経路は、低コストの4.7kΩサーミスタから始まり、その後にAnalog Devicesの低コストADuC7023マイクロコントローラが続きます。このマイクロコントローラは、4つの12ビットD/Aコンバータ（DAC）、マルチチャンネル12ビット逐次比較レジスタ（SAR）ADC、1.2ボルトの内部リファレンス、ARM7^®コア、126Kバイトのフラッシュ、8Kバイトのスタティックランダムアクセスメモリ（SRAM）、およびUART、タイマ、SPI、2つのI²Cインターフェースなどのさまざまなデジタル周辺機器を統合します（図4）。

図4：温度検出回路は電源にUSB接続を使用し、デジタル通信にはADuC7034マイクロコントローラのI²Cインターフェースを使用します。（画像提供：Analog Devices）

図4では、回路への電源とグランドはすべて4線式USBインターフェースから供給されています。Analog DevicesのADP3333ARMZ-5-R7低ドロップアウトリニアレギュレータは、USB 5V電源を使用して3.3Vの出力を生成します。安定化されたADP3333出力はADuC7023のDVDD電圧を供給します。図に示すように、ADuC7023のAVDD電源には追加のフィルタリングが必要です。また、このリニアレギュレータは、USB電源とINピンの間にフィルタを備えています。

温度データの交換もUSB D+およびD-インターフェースピンを介して行われます。ADuC7023は、データの送受信にI²Cプロトコルを使用することができます。このアプリケーション回路は、2線式I²Cインターフェースを使用してデータを送信し、設定コマンドを受信します。

このアプリケーションは次のADuC7023機能を使用します。

• 12ビットSAR ADC
• SRAMを搭載したArm ARM7TDMI。統合された62Kバイトのフラッシュが、ADCを設定および制御し、USBインターフェースを介した通信を管理し、サーミスタセンサからのADC変換を処理するユーザーコードを実行します。
• I²C端子は、ホストPCとの通信インターフェースです。
• 2つの外部スイッチ/ボタン（図には示されていません）は、デバイスを強制的にフラッシュブートモードにします。DOWNLOADをローに保持してRESETスイッチを切り替えると、ADuC7023は通常のユーザーモードではなく、ブートモードに入ります。内蔵フラッシュは、デバイスの関連I2CWSDソフトウェアツールを介してUSBインターフェースを利用してブートモードで再プログラムすることができます。
• VREFはバンドギャップリファレンスです。この電圧基準は、システム内の他の回路基準に利用できます。ノイズを低減するために、最小0.1マイクロファラッド（μF）のコンデンサをこれらのピンに接続します。

ADuC7023は小型（5mm × 5mm）の32ピンチップスケールパッケージで提供されるため、回路全体がプリント基板の非常に小さな部分に収まり、コストとスペースを節約できます。

強力なARM7コアと高速SAR ADCを備えていても、ADuC7023は低電力ソリューションを提供します。ARM7コアが5メガヘルツ（MHz）で動作し、プライマリADCが外部サーミスタを測定しながら、回路全体は通常11ミリアンペア（mA）を消費します。マイクロコントローラおよび/またはADCは温度測定の間にスイッチを切ることができ、さらに電力消費を節約します。

レイアウトの考慮事項

図4に示されている信号処理システムは、驚くほど見かけとは異なります。鳥瞰的に見ると、このシステムには3つのアクティブデバイスしかありません。しかし、この単純さに埋もれているのは、いくつかの興味深いレイアウトの課題です。

たとえば、ADuC7023マイクロコントローラは、接地規則に特別な注意を必要とする複雑なアナログおよびデジタルシステムです。このシステムはアナログ領域では「ゆっくり動いている」ように見えるかもしれませんが、そのオンボードトラックアンドホールドADCは、41.78MHzの最大クロック速度で毎秒1メガサンプルのレートでサンプリングする高速マルチチャンネルデバイスです。このシステムでは、クロックの立ち上がり時間と立ち下がり時間は数ナノ秒です。これらのスピードにより、このアプリケーションは高速カテゴリに分類されます。

明らかに、混合信号回路は特別な注意を必要とします。これは、重要な側面を網羅した4点のチェックリストです。

1. 電解コンデンサの使用
2. 小型コンデンサの選択
3. グランドプレーンの考慮事項
4. オプションの小型フェライトビーズ

大きな電解コンデンサは通常10mF～100mFの値で使用され、チップから2インチ以内に配置されます。これらのコンデンサは、電力トレースインダクタンスによってもたらされる瞬間的な充電要件のニーズに対応するための電荷貯蔵庫として機能します。

通常0.01mF～0.1mFの範囲の回路内の小さなコンデンサは、できるだけデバイスの電源ピンの近くに配置します。これらのコンデンサの目的は、高周波ノイズを迅速にグランドに送ることです。

デカップリングコンデンサの下のグランドプレーンは、高周波電流を分離し、EMI/RFI放射を最小限に抑えます。広い低インピーダンス領域で構成する必要があります。インダクタンスを最小限に抑えるため、グランドへのコンデンサ接続はビアまたは短いトレースを介して行います。

図4のデカップリングコンデンサに加えて、USBケーブルに対するEMI/RFI保護にはフェライトの使用が必要です。この回路のフェライトビーズはTaiyo YudenのBK2125HS102-Tで、100MHzでインピーダンスは1000Ωです。

まとめ

温度センサは最も広く使用されているセンサの1つですが、それでも設計要件により、設計者はコストとサイズを削減しながらセンシング精度を向上させることが困難になっています。これらを考慮して、この記事では、Analog Devicesの小型12ビットADCと高精度ADuC7023マイクロコントローラソリューションを使用した、低電力のUSBベースの商用サーミスタシステムの実装について説明しました。この組み合わせでは、NTCサーミスタが非線形の振る舞いで正確に温度を検出して監視できるように抵抗器を使用しています。