【经验】MLX90614红外温度传感器模拟输出电压应用指南

MELEXIS推出的MLX90614是一款用于非接触式温度测量的红外温度传感器，它集成有低噪声放大器、具有-40℃~+85℃的较宽量程，环境温度和目标温度在0℃~50℃时，精度高达±0.5℃，可用于红外测温仪中。

有时，我们需要系统（单片机电路）中从传感器获取模拟输出电压。 本应用指南介绍了如何使用MLX90614 红外温度传感器来实现这一功能。

MLX90614红外温度传感器可配置在EEPROM中，可用于以下3种输出：脉宽调制（PWM）、串行总线和热继电器。所有这些输出都提供了测量温度，线性化并可随时使用。因此，MLX90614红外温度传感器可广泛应用于单片机电路系统中。

对于PWM选项，连续脉冲序列的占空比（高电平在脉冲周期所占比例）来反映测量的温度。将该脉冲序列通过低通滤波器，阻挡高频信号的通过而使低频信号通过，可得到模拟值测量的平均值。为了获得相关结果，需要考虑该选项的一些细节。

PWM到电压转换的主要缺点是:

1.精度和分辨率：通过模拟测量达到MLX90614红外温度传感器通过SMBus和PWM数字接口提供的分辨率和精度是需要高成本的。在大多数情况下，准确度和分辨率都可能会显著降低。降低的精确程度是根据应用决定的，通常不能针对所有情况预先定义。

2.电磁兼容性（EMC）：模拟线路比数字通信更容易受噪声影响。模拟信号在传输过程中和叠加的噪声很难分离，噪声会随着信号被传输、放大、严重影响通信质量。

3.对温度，电源变化或湿度等环境条件的依赖性更高。

因此，在精度和分辨率很高的应用中，很难将MLX90614测量值转换为模拟电压输出作为一种方法。

相关的Melexis产品

MLX90601是上一代红外温度传感器。MLX90614是该产品的新一代产品，推荐用于新单片机电路的设计。 EVB90614是评估板，支持MLX90614红外温度传感器设备。

其他需要的部件：

当前应用指南中的原理图中使用的无源元件包括：

100nF 16V或更高的贴片陶瓷电容器。

1uF 16V或更高的电容器。

电源供电的旁路电容，如：470 uF 10V的铝电容以及10μF 10V的钽电容。

电阻： 10 kOhm 5％、47 kOhm 5％、470 kOhm 5％、22 kOhm 5％。

OpAmp AD8603运算放大器或同等产品，NPN BJT 2N5551晶体管或同等产品。

图1  MLX90614典型应用电路

MLX90614红外温度传感器的 PWM输出格式

MLX90614红外温度传感器的PWM输出可配置为两种模式，分别是单数据传输和双数据传输。在使用平均值的情况下，需要单PWM输出格式。它的时间周期如图所示：

图2 PWM输出周期

其中T是PWM周期，t1是起始缓冲区（始终为高电平，持续时间始终为周期的12.5％），t2是数据频段，需要额外的0 到50％的周期。 t3是错误信令频带（周期的25％）。在正常操作中，t3应该为零以及周期的其余部分。

读取的温度可以通过这些信号时间来计算：

其中Tmin和Tmax是所选温度输出的EEPROM中相应的重新调整系数，T是PWM周期。根据配置注册信息[5：4]设置，Tout是Tobj1，Tobj2或Ta。

通过PWM传输的数据字段为10位。Tmin和Tmax写入器件的EEPROM中，然后输出数据摆幅（12.5至62.5％工作周期）将代表该范围内的温度。这提供了“放大”选项 - 例如，在50度范围内的10位分辨率将给出0.0488度的最低位。超出此范围，输出将饱和（T <Tmin为12.5％，T> Tmax为62.5％）。

模拟值的PWM格式

如图所示，感兴趣的温度范围可以在器件EEPROM中编程，然后测量的温度将给出12.5至62.5％的工作周期。这将是PWM输出系列的平均值（电源电压Vdd的百分比）。下表表示T = Tmin，T=（Tmax + Tmin）/ 2（中间值）和T = Tmax的平均电压值以及5V和3V MLX90614版本的几个电压电源。

表1 MLX90614 T值表

单数据PWM输出占空比与测量温度成线性关系：

图3 单数据PWM输出占空比与测量温度成线性关系图

测量的任何温度都可用于PWM输出。MLX90614红外温度传感器采用单个MLX90614xAx或双区（MLX90614xBx）配置。单区版本因以下细节而异：没有实施IR2传感器、Tobj2数据是无关紧要的以及FOV是对称的锥形。

在工厂校准期间设置EEPROM（CongifRegister1 [05h]，位6,1用于双区域）中的位宽，用于标识区域的数量。

这里，除非另有说明，否则假设通过PWM传输温度1的单个区域。在大多数示例中，使用5V版本。对于扩展的PWM输出格式，不可能使用平均值，因为它由两个独立的数据带组成。然而，可以在PWM到电压转换应用中读取MLX90614xBx Tobj2（单PWM格式）。

可以将输出配置为以人性化的格式（例如3.00 V，30.0°C）摆动。由于输出PWM串的空比以1：5（12.5％至62.5％）的系数摆动，因此需要相应地设置MLX90614的温度范围。 请注意，这假设未使用电源电压测量选项的比率。

用于PWM到电压转换应用的MLX90614的配置

MLX90614评估套件EVB90614和PC SW，提供了配置和定制设备所需的一切。通过套件中包含的评估板，可轻松配置少量的MLX90614，以用于使用电压输出的应用。

MLX90614具有芯片上的EEPROM存储器。根据需要进行配置后，它将按所需配置启动。 （PWMCTRL和ConfigRegister1，如果更改，将需要断电和上电才能使更改生效）。PWM到电压转换应用感兴趣的EEPROM位置是：

To ,max, address 00h : 16位值，表示在传输对象温度的情况下通过PWM传输的范围的上限。

To, min, address 01h : 与To，max相同，但下限更低。

PWMCTRL , address 02h :PWM功能配置。

所有范围限制均适用于双区MLX90614中的两个区域。例如，为物体温度Tobj1和Tobj2设置上限和下限。

模拟输出测量的注意事项

· 输入电阻

LPF网络的任何加载都将固有地降低电路操作的准确性。没有加载的平均电压为：

其中Vhigh是MLX90614的高电平输出电压，Vlow是MLX90614的低电平输出电压，DC是PWM输出系列的占空比（正常工作时为0.125 ... 0.625）。 对于LPF负载的估计，假设R2足够高，不会在输出推挽级上引起显着的电压降。这里给出了Vhigh = Vdd，Vlow = 0。通过加载LPF（接地），等效原理图是：

图4 MLX90614模拟输出等效原理图

· 纹波

LPF网络R2C2的输出并不是完美的DC电压。滤波器网络后存在一些纹波，其幅度取决于占空比（在12.5- 62.5％范围内，纹波将改变2.3倍，最大占空比为50％）。当R1 = R2 = 10kOhm，C2 = C3 = 1uF，Vdd = 5V，PWM频率1kHz和占空比50％纹波时，Out1的峰值约为126mV，Out2的峰峰值约为1.6mV。

图5 纹波测量电路图（a）

如果这种纹波量是不可接受的，可以使用更复杂的原理图，例如：

图6 纹波测量电路图（b）

参考

使用Vdd作为ADC参考电压可消除Vdd对Vhigh的影响，从而消除模拟电压输出。对于低精度要求的应用，这种影响可能是可以接受的，但建议检查引入的误差。另一种方法可能是测量Vdd，或者从具有严格公差的电压基准为MLX90614供电。与仅使用Vdd作为参考电压相比，仍然不太可能期望容易且100％连续地消除Vdd影响。

最大PWM频率

在“配置”部分中，建议设置最大MLX90614输出频率为1 kHz。AC纹波的衰减随频率而改善（具有恒定的RC时间乘积）。这样，最大频率将被滤波到最小纹波。

输出水平负荷

MLX90614的推挽输出级是CMOS，Rds在5V时为100欧姆。因为该值不是受控参数该值因此仅用于设计指导。对于3V版本的Rds，可能会增加到大约200欧姆。NMOS和PMOS Rds的值非常接近，因此只要该电阻值很高，就不可能预期LPF网络的串联电阻会降低平均值。降低串联电阻值还有其他缺点：

•通过输出级电阻增加吸收/源电流会在输出级晶体管上产生电压降

•PWM串导致LPF电容器的部分充电/放电。交流充电/放电电流来自电源，这意味着功率消耗将随着输出串联电阻的减小而增加。

整体考虑

MLX90614是一个金属罐封装的集成系统。这导致器件具有良好的EMC性能。但是，与任何混合信号系统一样，电力线仍然需要去耦。靠近封装的100nF SMD去耦电容通常足够本地旁路。当然，整个电源轨需要没有严重的噪音和波纹。在具有强EMI的系统中，必须采用仔细的EMC布局以及增强的电源滤波。如果需要EMC问题，使用MLX90614实现数字通信显然更简单更便宜。

电源电压如12V或24V MLX90614Axx为构建稳压器提供了更大的灵活性。它集成了一个合成的稳压二极管，可用于构建5V稳压器，如下图所示。值得注意的是，此稳压二极管不作为参考电压源提供（有关电气规范，请参阅MLX90614数据表）。

图7 稳压电路图

如图所示，该调节器不仅可以用于为MLX90614Axx温度计供电。但是，稳压二极管并非设计用于吸收大电流（有关规格，请参阅MLX90614数据表）。外部NPN BJT Q1的基极电流乘以电流增益是电路的功耗，由该稳压器供电。该基极电流不能超过R1的偏置，减去最小的稳压二极管工作电流。请注意，3V版本（MLX90614Bxx）不提供稳压二极管选项。

结论

数字通信具有固有的优势，使其成为几乎所有应用的首选。但是，有一种方法可以在模拟应用中使用嵌入在MLX90614红外温度传感器中的纯数字通信，仅需两个无源元件。通过合理地关注几个设计细节，可以满足对这些设计的许多要求。