【应用】USB接口恒温器中TS9001-1/TS6001运算放大器、TS1001比较器的应用

时间： 2018-08-23 来源：Silicon Labs

技术问答

1，简介

在气温高达华氏80度的地区，比如中美洲、南美洲、亚洲、中东和美国部分地区，便携式的电风扇将会起到巨大作用。用基本电路和集成电路IC来设计和实现这个模拟设计电路方案，对于刚接触模拟电路的人来说，还是一个巨大挑战。本文提供了一种基于温度的风扇恒温控制器的实现方案。该方案采用目前大量使用的USB接口设备来驱动这种便携式风扇恒温器，给用户带来丝丝凉爽。该方案使用一种简单的温度传感器和一些简单的低功耗模拟电路，由SILICON LABS的TS6001-2.5V，TS1001低功耗运算放大器和TS9001-1 比较器三部分组成。通过这种方案，可以发现设计一个5V的USB便携式风扇恒温控制器是很简单和有趣的事情，当然也是很有用的。

2，概述

TS9001-1的低输入补偿电压（V_OS）和低输入电流（I_IN+/-），可以实现一个高输入灵敏度且自身仅仅消耗0.68µA电流的采集环路。内置的1.252V参考电压，允许有简单的接口电路和少量的组件来设置比较器的阈值电压。其轨到轨输入支持一个宽范围的共模输入偏置电压和尽可能宽的输入信号范围。另外，TS1001具有精密的直流性能，比如它的超低0.5mV输入补偿电压、超低的0.025nA输入偏置电流和90dB的高开环增益。得益于这些优异的性能，本应用可以根据输入端的精确温度产生一个输出电压。TS6001的2.5V精密参考电压在应用中作为低压降线性稳压器，其线性调节性能可以省去使用在TS1001和TS9001-1上额外的旁路电容。其电路图如图1所示。

图1 超低供电电流，USB供电的恒温器电路

2.1 实现电路

在这个方案中，选择的温度传感器是一个符合工业标准的LM35温度传感器。LM35温度传感器产生的输出电压，与环境温度成正比关系。其斜率是+10mV/℃。这个温度传感器提供了一个线性的输出响应，其最大的输出电压是1500mV，对应到150℃的环境温度。然而，地球上最热的气候温度大约是60℃左右，所以这个方案温度信号采集会设计到这个温度水平上。LM35温度传感器的传输曲线如图2所示。另外，在这个方案中，采用了型号为Si9942DY的N型MOSFET来开启和关闭AP121P 5V/200mA电风扇。

TS6001提供了TS1001运算放大器的2.5V电源，而TS9001-1比较器、TS6001参考电压、LM35温度传感器和风扇都将由USB提供的5V电源供电。在这个应用方案中，TS1001运算放大器是配置为非反相输入的，将温度传感器LM35的输出连接到TS1001运算放大器的非反相输入端。当温度上升到26.4℃时，LM35温度传感器输出的电压是264mV,通过TS1001运算放大器，产生4.75增益后的输出电压1.254V，这个输出电压连接到TS9001-1的非负向输入端，并在TS9001-1的输出端输出高电平状态，这将打开MOSFET，从而打开电风扇。反之，在环境温度低于26.3℃（参考2.2）时，即可关闭电风扇。

2.2 讨论和总结

为了设计实现这个应用方案，需要进行以下设计步骤：

1，确定温度传感器随着环境温度变化的斜率。

2，计算LM35的输出电压VOUT，基于（1）可得：

V_OUT=T℃ x 10mV/℃ -----1

3，计算出TS1001输出达到1.254V需要的增益，G：

G = 1.252V / V_OUT -----2

4，计算反馈电阻总和

R_T = R4 + R5 -----3

5，计算R4和R5。通过运算放大器的非反向方程（通过方程式3，和步骤3中得到的G，即可计算出R4与R5）：

G = 1 + R5 / R4 -----4

当风扇通电时，该应用方案从USB端口消耗的总电流是200.14mA，而电路中的器件，如TS9001-1、TS6001及TS1001只消耗了总能量的0.02%。如果想要进一步的减少电流消耗，可以适当的增加TS1001的反馈电阻值。例如，如果将反馈电阻的电阻值加倍，则反馈的电流减半，这将使得供电电流减少2.5µA。在当前的应用方案中，总电阻为248.3KΩ，TS1001的输出电压为1.254V，反馈电流是5uA。在最大输出电压2.5V时，其电流是10.1µA。

在这个应用方案中，TS9001-1的输入迟滞为3mV，因此，上升的阈值（或V_THR）是1.254V，对应温度是26.4℃。下降的阈值（或V_THF）是1.251V，对应温度是26.3℃。如果想要在较低的温度关闭风扇，则对应着它的关闭温度，额外的迟滞需要添加进比较器中。可以参考TS9001-1的数据手册的应用部分，详细了解如何增加比较器的迟滞现象。

在选择MOSFET时，需要考虑它是否能够承载风扇的电流。因为TS9001-1的输出是轨到轨的满值5V电压，所以MOSFET不需要是超低阈值电压的类型。

为了保证准确的增益G、精确的温度曲线、V_THR和V_THF，推荐使用精度为1%的反馈电阻。

3，结论

该应用方案使用了多种低功耗的高精度模拟集成电路，实现了USB接口恒温器。其控制精度误差小于0.8℃。总而言之，在这个运用中，或者其他的温度传感的应用中，TS9001、TS1001及TS6001-2.5是很好的选择。要获取更多的信息，可以在世强官网获取到TS9001等器件的数据手册。

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D&G Lv4. 资深工程师 2018-11-04

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Jackie0078 Lv8. 研究员 2018-10-13

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Nicole2 Lv5. 技术专家 2018-08-23

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terrydl Lv9. 科学家 2018-08-23

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luose Lv8. 研究员 2018-08-23

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技术文档 - SILICON LABS - Rev. 1.0 - 2016/12/10 PDF 英文下载

世强有红外触摸屏的方案吗

世强暂时没有完整的有红外触摸屏方案，不过可以推荐一些器件，比如，可天士（KODENSHI）品牌的高亮度单色GaAlAs红外发光二极管KEL-5315C，波长940nm，半值角为±15°，具有较好的单色性与方向性。可以参考文章：【产品】可用于车载触摸屏的GaAlAs表面贴装红外二极管。推荐圣邦微品牌的运算放大器SGM805X，250MHz，-3dB带宽，具备TSSOP14封装。可以参考文章：【应用】SGM805X在红外触摸屏中的应用，助力μV级微弱信号放大。推荐Silicon Labs的EFM8UB系列8位MCU，多达40个兼容5V的多功能I/O口，1路10位差分ADC和2个模拟比较器，内置精度达±0.25%的48MHz晶振，非常使用红外触摸屏设计，可以参考文章：【应用】采用流水线CIP-51内核的EFM8UB系列8位MCU，满足红外触摸屏快速运算的需求。

技术问答发布时间 : 2019-12-02

【产品】低功耗单/双电源双通道比较器，330mW功耗，4μA超低静态电流

TS9002是Silicon Labs推出的一款低功耗单/双电源双通道比较器，其采用+2.5V~+11V单电源或±1.25V~±5.5V双电源供电。TS9002拥有和MAX923模拟比较器相同的外形尺寸，并且具有更高的电气规格。TS9002工作温度范围为-40ºC~+85ºC，采用8引脚的MSOP封装，功耗仅为330mW，可用于阈值检测器,窗口比较器,电平转换器,振荡器电路,电池供电系统。

新产品发布时间 : 2018-07-12