小型數(shù)字濕度傳感器IC延長電池壽命并降低設(shè)計復(fù)雜度

1、小型數(shù)字濕度傳感器IC 延長電池壽命并降低設(shè)計復(fù)雜度傳統(tǒng)的濕度測量采用大尺寸分立電路，或者耗電量達(dá)4-20mA 的笨重濕度傳感模塊，然而伴隨著“物聯(lián)網(wǎng)”的興起，傳統(tǒng)技術(shù)已無法滿足更小、更輕以及更低功耗的設(shè)計需求。小型數(shù)字濕度傳感器單芯片為滿足眾多應(yīng)用需求而提供更合適的解決方案，這些應(yīng)用包括便攜式氣象站、霧化器、用于貨物和資產(chǎn)運輸?shù)臄?shù)據(jù)記錄儀、智能電話/功能型電話配件以及遠(yuǎn)程環(huán)境感應(yīng)節(jié)點等。為了更好的理解使用數(shù)字濕度傳感器帶來的益處，我們將討論以下主題： 傳統(tǒng)相對濕度（RH ）分立傳感器與數(shù)字相對濕度單芯片傳感器對比。 Silicon Labs Si7005數(shù)字相對濕度傳感器在RH 和溫度測量時

2、平均功耗的計算。 為便攜式濕度傳感器系統(tǒng)選擇最佳電池。背景濕度是對空氣或其他氣體中水分含量的測量。有幾種方法用來表示濕度量度： 絕對濕度（用gm -3表示）。 絕對水汽壓（衡量空氣中實際水分含量的測量，用kPa 表示）。 飽和水汽壓（在給定溫度下，空氣中含有的水蒸氣所產(chǎn)生的最大壓力）。如果水分含量超過飽和水汽壓，會產(chǎn)生冷凝，并且水分含量被降低到飽和水汽壓。露點（當(dāng)氣體冷卻時，冷凝液或霧氣開始形成時的溫度）也用來衡量空氣中絕對水分含量?？梢酝ㄟ^很多技術(shù)來測量相對濕度，從彈簧支撐結(jié)構(gòu)的簡單機械指示桿到復(fù)雜且昂貴的分析儀器，例如冷鏡面光學(xué)濕度計。一般來說，無論是相對濕度、露點、絕對濕度或等效的濕球溫

3、度，測量濕度都不是一件容易的事情。 來自英國國家物理實驗室（National Physical Laboratory）的研究表明，實際測量濕度是十分困難的，因為不確定的環(huán)境因素，最小的測量誤差為3。由于RH 極依賴于溫度，因此我們要知道空氣的精確溫度，以便確定相對濕度。僅0.2的溫度變化就會導(dǎo)致1%的RH 誤差。分立式電阻和電容相對濕度傳感器已使用數(shù)年，其填補了機械和光學(xué)RH 感應(yīng)之間的測量空白。他們與分立式溫度傳感器組合使用，例如熱敏電阻和電阻溫度檢測器（RTD ），共同測量RH 和露點。電阻式傳感器使用高分子聚合物薄膜，其依據(jù)吸收水分量而改變導(dǎo)電特性。 圖1. 典型的分立器件組成的相對濕度

4、和溫度傳感器分立式方案比機械式系統(tǒng)方案體積更小、更容易校準(zhǔn)，但是他們需要很多輔助器件來實現(xiàn)線性化、校準(zhǔn)和轉(zhuǎn)換RH 值。這種方法需要額外的電路板空間、更高的功率，并且在給客戶發(fā)貨之前每個器件單元都需要經(jīng)過生產(chǎn)線校準(zhǔn)，耗費人力；而且，分立式傳感器不適合大批量的回流焊接；此外，分立式傳感器在溫度范圍和使用周期中還存在精度差、變化率高、顯著的滯后作用和嚴(yán)重的感應(yīng)漂移等問題。以上因素都增加了生產(chǎn)測試和校準(zhǔn)的復(fù)雜度，而且意味著在最終應(yīng)用的產(chǎn)品生命周期中需要周期性的校準(zhǔn)。數(shù)字相對濕度單芯片傳感器新興的傳感解決方案把相對濕度和溫度傳感器直接集成到單芯片CMOS IC中，并具有數(shù)字I 2C 接口。因為兩個傳感器

5、在同一晶圓上位置靠近，所以在相同溫度下RH 讀數(shù)總是比分立式方案的讀數(shù)更精確。單芯片傳感器解決方案的一個典型例子是Silicon Labs Si7005數(shù)字相對濕度和溫度傳感器。Si7005傳感器通過晶圓表面上的高分子聚合物薄膜測量濕度，通過片上二極管的帶隙電路測量溫度。唯一所需的片外器件是一對旁路電容。每一個Si7005相對濕度傳感器都經(jīng)過工廠校準(zhǔn)，因此無需客戶校準(zhǔn)。該傳感器采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4mm x 4mm QFN封裝，并具有小型開口用于裸露水氣感應(yīng)高分子聚合物薄膜。另外還可以選購具有薄型保護(hù)蓋的版本。保護(hù)傳感器在安裝周期以及整個終端產(chǎn)品壽命周期中，避免由助焊劑、粉塵、化學(xué)物質(zhì)及其他污染物所

6、帶來的侵害，同時也增加了回流焊接過程中的保護(hù)。表1匯總單芯片解決方案（例如Si7005濕度傳感器）與分立式解決方案的特性對比，展示出單芯片解決方案的優(yōu)勢。通過以下方式獲得電容到RH 的轉(zhuǎn)換和對RF 精度的微調(diào)： 所有器件均在兩個RH 測試點進(jìn)行電容校準(zhǔn)。 計算RH 時實施片上增益和補償校準(zhǔn)。做進(jìn)一步的非線性化和溫度補償可以達(dá)到通常3的RH 精度。非線性化和溫度系數(shù)由Silicon Labs提供，獨立于器件和生產(chǎn)批號。表1. 單芯片傳感器相對于傳統(tǒng)分立式設(shè)計的好處 單芯片傳感器IC 核心特性比分立式、混合式或多芯片模組（MCM ）集成度更高 好處 片外器件數(shù)量極少，大大降低設(shè)計復(fù)雜度 更小的封裝

7、面積、高度和重量 加快上市時間 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的CMOS 工藝提供更高產(chǎn)量和穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝和QFN 封裝 低高度的QFN 封裝支持自動貼裝，可進(jìn)行批量焊接和制造IC 工廠校準(zhǔn)，各個系數(shù)存儲于片上存儲器 更短的客戶生產(chǎn)/測試時間，更低的解決方案成本 生產(chǎn)線和現(xiàn)場可直接更換/替代 在安裝前、中、后保護(hù)裸露的傳感器可選的疏水性保護(hù)蓋 回流焊接后無需任何材料或人工成本安裝保護(hù)蓋或安裝/取下保護(hù)帶與傳統(tǒng)的分立式、混合式和MCM 解決方案相比，Si7005硬件、軟件和固件的優(yōu)化提供了以下好處：高集成度 - 測量出的濕度和溫度值由片上信號調(diào)節(jié)電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC ）轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式。為了輸出電壓或頻率

8、，無需片外信號調(diào)節(jié)或數(shù)字轉(zhuǎn)換器。物料清單（BOM ）僅包括兩個旁路電容器，而傳統(tǒng)分立式傳感器可能需要幾十個器件，以實現(xiàn)相同功能。與分立式傳感器、模塊或混合式/MCM相比，Si7005濕度傳感器具有更小的封裝面積和更輕的重量，所以可獲得更低的整體解決方案成本、更少的設(shè)計負(fù)擔(dān)、更小的體積和重量、更高的可靠性和更快的上市時間。即插即用的易用性 - 數(shù)字輸出和工廠校準(zhǔn)免除Si7005相對濕度傳感器的校準(zhǔn)過程，所以每個傳感器都可以相互替換。在從一個器件單元切換到另一個器件單元時，無需任何軟件/固件改變或校準(zhǔn)；主機處理最后的線性化和溫度補償，該算法使用固定值，不因芯片的變換而改變；在生產(chǎn)線上無需花費時間或

9、人力來調(diào)整每個器件單元，由此返工和現(xiàn)場維護(hù)更加方便。保護(hù)蓋 - 可選的工廠安裝的保護(hù)蓋，如圖2所示，使Si7005非常牢固和易用。這種薄型疏水性/疏油性薄膜可保護(hù)傳感器在板級安裝前、中和后，避免液體/冷凝液和粉塵帶來的侵害，而測量的靈敏度也不會受到保護(hù)蓋的影響。 圖2. 具有和不具有保護(hù)蓋的Si7005從MCU 端口引腳為Si7005濕度傳感器供電以獲得低功耗Si7005相對濕度傳感器可以動態(tài)的從單片機（MCU ）端口引腳獲得每次轉(zhuǎn)換所需的電能。由于Si7005傳感器僅僅需要240-320A，因此大多數(shù)MCU 端口引腳都可以提供此電流。由于Si7005濕度傳感器在兩次轉(zhuǎn)換之間可關(guān)掉電源，因此無

10、需CS 引腳，能夠永久拉低，如圖3所示。 圖3. Si7005低功耗操作配置，電源來自MCU 端口引腳如何從單片機端口引腳為傳感器供電： 連接Si7005傳感器的Vdd/Vs引腳到主單片機上用于開關(guān)電源的GPIO 。 使用MCU /主機的Vdd 為I2C 上拉電阻供電。 器件上電后，允許有28ms 為Cext 充電（假設(shè)MCU IOH 0.3mA）。 讀取RH 和溫度（通常每次需要35ms 轉(zhuǎn)換時間）。 Vs 降到0V 。 采用線性化和溫度校正系數(shù)，以獲得校準(zhǔn)的 RH 和溫度值。 Si7005 相對濕度傳感器具有片內(nèi)加熱器，可增加 Idd 到大約 30mA。除非單片機端口 引腳可提供 30mA

11、 電流，否則不要在此配置中啟動加熱器。如果啟動加熱器，功耗增 大到 3.3V30mA = 0.1W，晶圓和傳感器溫度將在片外環(huán)境溫度之上增加 5-8（假 設(shè)分別為 4 層和 1 層 PCB 使用熱阻（Theta-J-A）50/W 和 80/W）。 Si7005 供電需要 Vdd = 3.3 V，此為 Si7005 數(shù)據(jù)手冊中 Idd 的典型值： 上電過程中，功耗典型值為 300A，4.7F Cext 充電到 1.8V 需要 28ms（或 14ms，如 果 IOH=0.6mA）。 RH 測量（35ms）Idd 典型值為 240A。 溫度測量（35ms）Idd 典型值為 320A。 掉電過程 -

12、電容放電需要約 15ms。器件將處于掉電狀態(tài)一直到下一次轉(zhuǎn)換。 器件自熱 0.1。 上述溫度和濕度轉(zhuǎn)換中消耗的總能量，在下列典型條件中為： 0.3mA x 28mS x 3.3V = 27.7J . 上電過程。 0.24mA x 35mS x 3.3V = 27.7J . RH 測量。 0.32mA x 35mS x 3.3V = 37J . 溫度測量。 0.15mA x 10mS x 3.3V = 5 J .讀取結(jié)果之前，花更多時間確保測量完成，總計 96J。 如果溫度和濕度轉(zhuǎn)換每分鐘執(zhí)行 1 次、2 次或 4 次，96J 能耗等于下列平均電流： 96J / (3.3V x 15 = 2A

13、平均電流，每分鐘 4 次轉(zhuǎn)換。 96J / (3.3V x 30 = 1A 平均電流，每分鐘 2 次轉(zhuǎn)換 。 96J / (3.3V x 60 = 0.5A 平均電流，每分鐘 1 次轉(zhuǎn)換。 功耗敏感型便攜式系統(tǒng)的電池選擇 選擇合適的電池是便攜式濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計的重要考慮因素。電池的特性因電池內(nèi)部的化 學(xué)物質(zhì)、漏電流和溫度而變化。電池主要分為兩大類： 不可充電的原電池 - 通常比可充電電池成本更低、能量密度更高。 可充電的蓄電池 - 由于活性材料的耗散、電解質(zhì)的損失以及內(nèi)部腐蝕，此類電池不能 無限次數(shù)的重復(fù)充電，并且在使用前必須進(jìn)行充電。 附錄 1 列出主要的電池特性，附錄 2 詳細(xì)說明一般的電

14、池類型。 Silicon Laboratories, Inc. Rev 1.0 6 當(dāng)每分鐘操作 2 次轉(zhuǎn)換時，Si7005 相對濕度傳感器在每年操作中將消耗 8.76 毫安時 （mAh），這僅僅是通常電池電量的一小部分。根據(jù)選擇的電池類型不同，需要應(yīng)用下列 額外的設(shè)計原則。 Si7005 Vdd 的范圍是 2.1V-3.6V。為獲得更好的轉(zhuǎn)換精度，Vdd 應(yīng)不低于 2.3V。當(dāng)使用 AA 電池時，推薦使用兩節(jié)電池串聯(lián)。如果放電限制到 1.15V，3000mAh 的 AA 堿性電池 的電量將減少到 2000mAh，這仍然相當(dāng)充足。 雖然容量有限，鈕扣電池依舊是 Si7005 濕度和溫度傳感器電源的很好選擇，因為電池電 壓符合傳感器操作范圍。對于 230mAh 容量的鈕扣電池來說，當(dāng) GPIO 在轉(zhuǎn)換之間關(guān)閉傳 感器供電時，Si7005 電量消耗僅為電池容量的一小部分。 就原生鋰電池和蓄電池來說，新電池電壓對于 Si7005 傳感器來說太高了，需要串聯(lián)電壓 調(diào)節(jié)器。 總結(jié) 低功耗便攜式濕度傳感器的市場需求在不斷增加，新興的用于“物聯(lián)網(wǎng)”的便攜式和移動系 統(tǒng)也起到極大的推動作用。數(shù)字濕度單芯片傳感器 IC，例如 Silicon Labs Si7005 器件，是 這種系統(tǒng)的理想選擇。Si7005 是小