【应用】温湿度传感器HTU21D替代SHTC3用于基于物联网的配电房环境监测,0.02uA休眠电流助力实现超低待机功耗

2020-04-09 世强
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随着半导体技术的发展,温度传感器和相对湿度传感器已经集成到了一个芯片中,且实现了数字化、小型化、低功耗,使得相关的物联网应用变得简单。例如典型的具备I2C接口的温湿度传感器有Sensirion的SHTC3(尺寸只有2mm×2mm),TE推出的HTU21D(3mm×3mm)、HTU31D(2.5mm×2.5mm)。


笔者设计的一款基于物联网的配电房温湿度环境监测传感器采用了SHTC3进行设计,实现了无人值守的配电房温湿度环境的监测、温湿度越限报警、温湿度突变报警、基于LORA的无线数据传输。该温湿度环境的监测装置还具有液晶显示及报警复归按键,方便运维人员观测和调试。


上述温湿度环境监测装置与其它设备共用配电房提供的24V直流电源,但是随后笔者遇到了没有外部电源供给,需要自备电池供电的应用。该应用笔者采用了TE的HTU21D代替了SHTC3,实现了更低功耗的设计。HTU21D和SHTC3的部分技术指标对比如下表:



在实现相当的测量精度的前提下,这两款芯片的工作电流也是接近的,HTU21D略低,但是本设计中测量活动是周期性唤醒的(周期从30分钟到数小时可配置),传感器大部分时间是处于休眠状态,因此较低的休眠电流可以简化电源管理的设计,在同样电池容量的情况下大大延长设备寿命。HTU21D的休眠电流不到SHTC3的十分之一。最终实现整机休眠电流<3.5uA。硬件框图如下:

实物如下图:


在采用HTU21D、SHTC3之类的温湿度传感器芯片进行硬件设计时有一点是值得注意的:

PCB布局上,传感器芯片应该远离热源,否则会引起测量值偏差。实际上,很多时候硬件工程师为了获得更好的信号完整性(SI)和电源完整性(PI),对地和电源层采用铺铜处理,但铜是热的良导体,所以即使传感器距离热源有一定距离,但是这类直接焊装在PCB上的QFN封装依然会受到通过铺铜传递过来的热量的影响。此外,在很多小型化的设计里,也无法实现较大距离的布局。为解决这些问题,推荐采用半岛形式的布局,例如通过开槽:



或者如笔者将此部分电路置于伸出PCB的一小截“半岛”。这样连同PCB的FR4材料带来的热传导也是最小,而且布局在边缘也是环境空气对流最充分的地方(壳体有开孔),能够更真实的反映环境参数。

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  • 远风 Lv7. 资深专家 2020-06-10
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