TMP117 für hochgenaue digitale Temperaturmessung

Der TMP117 ist ein werkseitig kalibrierter lokaler Temperatursensor für Messaufgaben, bei denen Abweichungen von wenigen Zehntelgrad relevant sind. Die offizielle Produktseite von TI nennt einen direkten Digitalwert, eine I2C- und SMBus-kompatible Schnittstelle, programmierbare Grenzwerte, niedrige Stromaufnahme und nichtflüchtigen Speicher. Damit entfällt ein großer Teil der analogen Messkette eines Platin-Widerstandsthermometers. Die thermische Aufgabe bleibt jedoch bestehen: Der Sensor meldet die Temperatur seines eigenen Siliziumchips.

Im TMP117-Datenblatt beträgt die maximale Abweichung ±0,1°C zwischen -20°C und 50°C sowie ±0,15°C zwischen -40°C und 70°C. Das 16-Bit-Ergebnis hat eine Schrittweite von 0,0078125°C. Diese Auflösung ist wesentlich feiner als die garantierte Genauigkeit. Ruhige Nachkommastellen beweisen daher keine geringe Temperaturdifferenz zwischen Messobjekt und Sensorgehäuse.

Vor dem Schaltungsentwurf muss das Messziel feststehen. Umgebungsluft, eine Metalloberfläche, ein Flüssigkeitspfad, Hautkontakt und ein bestimmter Leiterplattenbereich brauchen unterschiedliche Wärmewege. Kupferflächen, Leiterplattendicke, Lötstellen, Gehäuse, benachbarte Bauteile und Luftströmung bestimmen gemeinsam, welche Temperatur den Messwert prägt.

Die Genauigkeit für den realen Temperaturbereich ansetzen

Der Wert ±0,1°C gilt von -20°C bis 50°C. Für größere Bereiche sind die passenden Grenzwerte anzuwenden: ±0,15°C von -40°C bis 70°C, ±0,2°C von -40°C bis 100°C, ±0,25°C von -55°C bis 125°C und ±0,3°C von -55°C bis 150°C.

Zum Systemfehler gehören außerdem die thermische Differenz zum Messobjekt, Eigenerwärmung, Temperaturgradienten im Gehäuse, mechanische Spannung, Versorgungseinfluss, Unsicherheit des Referenzthermometers und Wiederholbarkeit. Jede Größe wird separat spezifiziert oder gemessen. Die digitale Schrittweite darf nicht als Gesamtfehler eingesetzt werden.

TI beschreibt eine NIST-rückführbare Produktionsprüfung mit Geräten, deren Kalibrierung auf nach ISO/IEC 17025 akkreditierte Stellen zurückgeht. Diese Rückführbarkeit betrifft die Bauteilprüfung. Der Wärmeweg im montierten Produkt muss weiterhin gegen eine geeignete Referenz geprüft werden.

Gehäuse und thermischen Kontakt gemeinsam wählen

Der TMP117 ist als sechspoliges WSON mit 2,00 mm × 2,00 mm und als kleineres DSBGA mit sechs Kontakten erhältlich. Das WSON passt gut zu üblichen Bestückungsprozessen und bietet einen klar definierten Bereich für das freiliegende Pad. Das DSBGA senkt Fläche und thermische Masse, verlangt aber eine streng kontrollierte Montage und Prüfung.

Für eine starre Leiterplatte und hohe Genauigkeit ohne Systemkalibrierung empfiehlt TI, das thermische Pad des WSON nicht anzulöten. Eine Lötverbindung verbessert die Kopplung an die Leiterplatte und verkürzt die Reaktionszeit, kann aber durch Gehäusespannung zusätzliche Fehler erzeugen. Wird das Pad gelötet, muss es frei bleiben oder an Masse liegen. Ein geregelter Reflow-Prozess ist gegenüber Handlötung vorzuziehen.

Bei einer festen Oberfläche soll der gewünschte Wärmeweg einen niedrigen Widerstand haben. Bei Luftmessung muss die Wärmeleitung aus der Hauptplatine klein sein. Zuerst wird der gewünschte Pfad definiert, danach werden konkurrierende Pfade geschwächt.

Für Luftmessung eine thermische Insel vorsehen

Der TI-Leitfaden für oberflächenmontierte Temperatursensoren erläutert, dass ein teilweiser Frässchlitz um den Sensor den Wärmestrom durch FR4 deutlich verringert. Eine kleine Insel an einem schmalen Steg trennt den Messbereich von Prozessor- und Netzteilwärme.

Alle Kupferlagen müssen betrachtet werden. Eine sichtbare Trennung auf der Oberseite ist wirkungslos, wenn Innenlagen mit Masse- oder Versorgungskupfer den Schlitz überbrücken. Auch mehrere Massevias neben dem Sensor bilden einen guten Wärmeweg zur Hauptplatine und sind bei Luftmessung zu vermeiden.

Die Insel muss vom Zielmedium erreicht werden. Bei Luftmessung gehören Lüftungsöffnung, Platinenlage, Strömungsrichtung und Wärmestrahlung der Gehäusewände zur Konstruktion. Hinter einem warmen Display oder in einer abgeschlossenen Batteriekammer misst der Sensor das dortige Mikroklima.

Lokale Wärmequellen von der Insel fernhalten

Pullup-Widerstände, LEDs, Oszillatoren und Spannungsregler können einen größeren Offset erzeugen als der Sensorfehler. TI weist ausdrücklich darauf hin, dass Pullups Wärmequellen sein können. Die I2C-Pullups gehören deshalb auf die Hauptplatine, während nur schmale SDA- und SCL-Leiterbahnen den Steg überqueren.

Der empfohlene 100-nF-Abblockkondensator bleibt nahe an Versorgung und Masse. Er ist klein und erzeugt nur wenig Wärme. Größere Widerstandsnetzwerke, Anzeigen und Versorgungsfilter werden weiter entfernt platziert.

Ein Frässchlitz reduziert Wärmeleitung in der Leiterplatte, aber keine Strahlung und Konvektion. Liegt ein heißer Prozessor direkt gegenüber, helfen eine andere Position, eine geeignete Abschirmung oder eine Strömung, die zuerst den Sensor erreicht.

Eigenerwärmung über den Messzyklus begrenzen

Bei 1 Hz und ohne Mittelung liegt die typische Stromaufnahme bei 3,5 µA. Eine einzelne Wandlung dauert typisch 15,5 ms. Acht Mittelungen halten den Wandler ungefähr 124 ms aktiv. Mit der Mittelungszahl steigen aktive Zeit und mittlere Verlustleistung.

TI dokumentiert für eine kleine Testplatine in ruhender Luft bei 3,3 V und kontinuierlicher Wandlung ohne Ruhezeit ungefähr 40 m°C Eigenerwärmung bei 25°C. Der Wert ist nicht auf jede Leiterplatte übertragbar, zeigt aber die Größenordnung, die bei einem Ziel von ±0,1°C berücksichtigt werden muss.

Wenn möglich, wird der Einmalmodus verwendet. Bei kontinuierlichem Betrieb sorgt eine ausreichend lange Ruhephase für Abkühlung. Acht Mittelungen bei einem Zyklus von einer Sekunde sind für viele langsame Messungen ein sinnvoller Ausgangspunkt. Eine niedrige zulässige Versorgungsspannung, größere Pullups und wenig Busverkehr verringern die Verlustleistung weiter.

Mittelung nur gegen Coderauschen einsetzen

Der Sensor kann 1, 8, 32 oder 64 Wandlungen mitteln. Bei langsam veränderlicher Temperatur und stabiler Versorgung sinkt dadurch die Streuung des Digitalwerts. TI beschreibt etwa ±3 Codes ohne Mittelung und ungefähr ±1 Code bei acht Wandlungen.

Eine thermisch falsch platzierte Messstelle wird durch Mittelung nicht richtig. Wärme vom Regler kann einen stabilen, aber verschobenen Wert erzeugen. Zuerst müssen Sensor und Messobjekt ein nachvollziehbares thermisches Verhältnis haben.

Ein Datenlogger kann eine Wandlung auslösen und danach abschalten. Eine Regelung braucht möglicherweise kürzere Zyklen. Modus, Zyklus und Mittelungszahl werden als Teil der Messanforderung dokumentiert.

Das 16-Bit-Ergebnis mit Vorzeichen auswerten

Das Temperaturregister enthält einen vorzeichenbehafteten 16-Bit-Zweierkomplementwert mit 0,0078125°C je Code. Zuerst werden höherwertiges und niederwertiges Byte zu einer vorzeichenbehafteten 16-Bit-Zahl zusammengefügt, danach erfolgt die Skalierung. Eine vorangehende Interpretation als vorzeichenlose Zahl verfälscht negative Temperaturen.

Nach einem Reset steht bis zum Abschluss der ersten Wandlung einschließlich Mittelung der reservierte Wert -256°C im Register. Die Software prüft den Datenstatus oder wartet die vollständige Wandlungszeit ab.

Tests umfassen positive Werte, den Nullbereich, negative Werte sowie den Übergang zwischen 0x0000 und 0xFFFF. Rohe Registerwerte erleichtern die Diagnose von Bytefolge und Vorzeichenerweiterung.

Vier I2C-Adressen sauber zuordnen

ADD0 kann mit Masse, Versorgung, SDA oder SCL verbunden werden. Dadurch entstehen die Adressen 0x48 bis 0x4B. Vier Sensoren können auf demselben Bus verschiedene Stellen erfassen. Die Beschaltung wird in Schaltplan und Fertigungsunterlagen eindeutig benannt.

SDA und ALERT sind Open-Drain-Anschlüsse. Auch SCL benötigt einen Pullup, wenn der Controller einen Open-Drain-Taktausgang hat. TI zeigt 5 kΩ als typischen Wert und empfiehlt bei kritischer Eigenerwärmung Werte oberhalb von 2 kΩ. Buskapazität, Anstiegszeit, Pegel und Senkenstrom bestimmen den endgültigen Wert.

Die Schnittstelle unterstützt 1 kHz bis 400 kHz. Schnelle Übertragung verkürzt die Aktivität der Digitaleingänge und Pullups, solange Leitungslänge und Kapazität dies zulassen. Die Signale werden von Schaltknoten ferngehalten.

ALERT als eindeutige Systemfunktion auslegen

Programmierbare obere und untere Grenzen können über ALERT einen Controller-Interrupt oder SMBus-Alarm auslösen. Die Software muss wissen, ob der Pin einen Grenzwert, Datenbereitschaft oder eine andere konfigurierte Funktion meldet. Polarität, Auslösung und Rücksetzung werden geprüft.

Bei einer Schutzfunktion zählen Sensorlage, thermische Reaktion, Wandlungszeit, Mittelung, Interruptlatenz und Reaktion des Aktors. Hohe stationäre Genauigkeit garantiert keine schnelle Abschaltung bei einem steilen Temperaturanstieg.

Ein unbenutzter ALERT-Pin darf gemäß TI offen bleiben oder mit Masse verbunden werden. Im Serienaufbau erhält jeder Anschluss einen definierten Zustand.

EEPROM und Rückführbarkeit erhalten

Der TMP117 besitzt 48 Bit universellen EEPROM und nichtflüchtige Konfiguration. Der Speicher ist zunächst gesperrt. Programmieren umfasst Entsperren, Schreiben, Warten auf Abschluss, Reset und Rücklesen.

TI speichert in einem Teil des universellen Bereichs eine eindeutige Kennung für die NIST-Rückführbarkeit und warnt vor dem Überschreiben dieser Stellen. Vor der Speicherbelegung wird entschieden, ob diese Kennung im Produkt erhalten bleiben soll.

Der EEPROM ist kein häufig aktualisierter Ereignisspeicher. Die Fertigungssoftware liest geschriebene Werte nach dem Reset zurück. Die Betriebssoftware trennt flüchtige Einstellungen klar von absichtlichen nichtflüchtigen Änderungen.

Offset am montierten Produkt bestimmen

Der digitale Offset kann eine reproduzierbare Systemabweichung korrigieren. Er wird erst bestimmt, wenn Platine, Gehäuse, Kontaktmaterial und Luftführung feststehen. Ein Wert von einer offenen Laborplatine kann im geschlossenen Gehäuse falsch sein.

Messungen an mehreren Temperaturen zeigen, ob ein konstanter Offset genügt. Eine temperaturabhängige Steigung oder lange Einschwingzeit weist auf Wärmeweg, Kontakt oder Prüfverfahren hin und sollte konstruktiv gelöst werden.

Referenzgerät, Kontaktmethode, Luftstrom, Wartezeit, Versorgung, Modus, Mittelung und Gehäusezustand gehören zum Kalibrierprotokoll.

Montagespannung und Zusatzmaterial prüfen

Empfohlenes Landmuster und Reflow-Profil werden eingehalten. Der Sensor liegt nicht neben einer Ritzlinie, einem Befestigungsdom oder einem mechanisch belasteten Steckverbinder. Die schmale Sensorinsel braucht auch während Nutzenfertigung und Trennung ausreichende Abstützung.

Schutzlack, Klebstoff und Unterfüllung verändern Wärmekapazität, Konvektion und mechanische Spannung. Diese Materialien werden vor Freigabe verglichen. Handnacharbeit kann die Messung ebenfalls verändern und wird gegen regulär gelötete Muster geprüft.

Reaktionszeit und stationären Fehler getrennt messen

Die Reaktionszeit beschreibt die Annäherung an eine Temperaturänderung. Der stationäre Fehler ist die verbleibende Differenz nach dem Einschwingen. Eine dünne Insel folgt Luft schnell, kann aber empfindlicher gegen Strahlung sein. Eine große Kontaktfläche folgt einer festen Oberfläche gut, reagiert auf Luft dagegen langsamer.

Oberflächenprüfungen wiederholen Kontaktkraft und Wärmeleitmaterial. Luftprüfungen kontrollieren Strömung, Orientierung und Wandtemperatur. Referenz und rohe TMP117-Werte werden auf derselben Zeitbasis aufgezeichnet.

Kontinuierlicher Betrieb, Einmalmessung und verschiedene Mittelungen werden im endgültigen Gehäuse verglichen. Die gewählte Einstellung muss Reaktionszeit und Eigenerwärmung gleichzeitig erfüllen.

Messbare Abnahmekriterien festlegen

Zum maximalen Sensorfehler des Einsatzbereichs kommen Referenzunsicherheit, thermischer Offset, Eigenerwärmung, mechanische Spannung, Versorgungseinfluss, Wiederholbarkeit und Kalibrierrest. Spezifizierte und im Produkt gemessene Beiträge werden getrennt ausgewiesen.

Alle Leiterplattenlagen, die Sensorinsel, mögliche Kupferbrücken, Wärmequellen, das WSON-Pad, Abblockung, Pullups, Adresse und Bustiming werden geprüft. Danach folgen Codierung, erster Messwert, Alarm, Stromsparmodi und EEPROM.

Mit dokumentierter stationärer Genauigkeit, Reaktionszeit, Versorgungseinfluss und Streuung liefert der TMP117 eine hochgenaue Systemmessung. Ohne kontrollierten Wärmeweg wäre er lediglich ein sehr fein auflösender Sensor am falschen thermischen Ort.