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受疫情影响,额温枪和热电堆传感器的价格暴涨

2020年的春天,注定会成为这一代地球村村民记忆中难以忘记的一个时期。随着新冠病毒在全球范围内的肆虐,非接触式的额温枪 / 耳温枪的需求一下子被引爆。在二月初,由于供需缺口巨大,原本一把几十元的额温枪被炒到 500 到 600 元人民币的价格。巨大的利益也吸引了很多原本非医用额温枪和耳温枪的电子行业生产商快速参与进来,从而带动了额温枪内部元器件价格的暴涨。热电堆传感器,作为额温枪的核心器件,其价格也从不到 10 元人民币一路上涨至 110 元以上。额温枪相关产业,在这个特殊时期名副其实地成为暴利行业。

  巨大的商业利益下,很多新进入这个市场的企业只进行了潦草地研发就开始生产和销售。这些良莠不齐的产品进入市场后,暴露了大量的应用上的问题。尤其是销往国外的很多产品,出现了很多不符合当地使用情况的问题,测温结果完全无法达到医用级要求精度,从而产生了被国外客户要求退货的情况。

  如果我们把市场上各种不同的热点堆传感器的应用方案来整理一下,大致可以发现有这么几种典型类型,以下我们一一来做分析。

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  数字型输出的热电堆传感器 + 低成本低功耗处理器方案

  这个方案以 Melexis 的 MLX90614 和 MLX90615 这样的数字输出传感器为代表。这两个芯片的 FOV 视角不同,分别适用于额温枪和耳温枪。这种传感器在出厂前已经做了预校准,方案商做基本配置和简单出厂校准就能直接从传感器中得到目标温度值和环境温度值。对方案商来讲,几乎不需要对传感器的特性和接口电路有深入理解,属于傻瓜式的应用。然而,其高昂的售价几乎让额温枪方案商感觉无利可图,而且由于产能问题导致市场上缺货严重。对于有设计能力的客户来讲,一般出于成本和产能的考虑,并不会将其作为主流方案。

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  采用高精度自稳零运放 + 低成本低功耗处理器方案

  此方案原本并不是医用级额温枪和耳温枪的主流成熟方案,但在疫情开始时期,由于元器件缺货加上国内几个 MCU 方案商全力推进,该方案被很多新进入的客户所采用和量产。而目前,这种方案暴露问题最多。在这里,我们从热电堆传感器信号调理的需求入手,来分析一下该方案的问题。

  下表是一个热电堆传感器典型输出电压。在环境温度为 25°C 时,对于人体的目标温度(35~42°C 范围内),其传感器输出电压的绝对值在 1mV 上下。目标温度每变化 0.1°C,输出电压变化量基本上在 8uV 上下。

  为了使热电堆传感器输出可以被处理器内部的 10 位~12 位单端输入 ADC 所分辨,就必须对这个原始信号进行充分放大。下图是采用分立运算放大器来进行信号放大并接口单端输入 ADC 的典型电路(原图摘自 TE 公司 Application Note - “THERMOPILE SENSOR FOR CONTACTLESS TEMPERATURE”)。

  这个电路有以下几个要求:

  运放需要使用正向放大拓扑结构。原因是热电堆传感器本身内阻较高,所以需要传感器接口电路必须是高阻输入。而运放只有在正向放大电路的拓扑结构下(如使用仪表放大器,其输入级可看作两个正向放大运放)才能保证高阻输入。

  需要偏置到大于 0V 的正电压。而对于热电堆传感器来讲,当测量目标温度小于环境温度时,其输出是小于零的负电压。这就需要把热电堆传感器的输出负偏置到一个大于零伏的正电压,才能保证热电堆的输出信号上的电压大于 0V,并且可以被单极性供电的运放(正向放大拓扑)所接受。然而,由于处理器内部的 ADC(尤其式低功耗+低成本的处理器),一般是单端输入,范围为 0~VREF 电压的 SAR 型 ADC,所以偏置电压本身的稳定度就变得很重要。

  运放自身的偏置(Offset)要很小,其全环境温度测量范围内的偏置温漂需要《=1uV。原因是热电堆传感器对应目标温度 0.1°C 的分辨率其相应电压变化量才几个 uV,运放自身偏置带来的影响必须小于这个值。

  1/f 噪声(0.1~10Hz 等效输入 pk-pk 噪声)需要在 1uV 级别。热电堆应用是近直流的应用,所以在传感器后面的处理算法中几乎每个客户都会增加滤波降噪算法来减少噪声。但是 1/f 噪声频率太低(接近直流),所以该噪声很难用低通滤波器(LPF)和数字低通滤波器有效去除。运放自身等效输入 1/f 噪声必须控制在远小于 0.1°C 对应电压,所以需要在 1uV 级别。

  低功耗。对于运放来讲,低功耗需求并非必须,因为可以用处理器控制一个 MOS 管来管理运放的供电,在不处理信号时切断运放供电,以满足系统低功耗需求。但这种解决方案,在一定程度上增加了系统复杂度和成本。所以低功耗运放当然也是方案中的更优选择。

  在医用级测温方案中,大家会发现各个厂家的“XX8551”型号运放会被提及。溯源来讲,ADI 公司的低压自稳零运放 AD8551 的各项指标基本都可以满足这些需求,但并非所有 IC 公司的自稳零运放“XX8551”都真实可靠地满足这些指标。更加有趣的是,即使运放选择没有问题,还会有其他的系统问题,使得采用该方案的产品很难达到医用级测温的设计指标。

  ADC 基准电压。一般处理器内部 ADC 的基准就是供电的 AVCC 电压。如果客户用电池直接作为 AVCC 电压的话,那就意味着当电池被使用一段时间后电压下降,ADC 基准电压就发生变化了。也有客户用 LDO 供出一个稳定的 AVCC,但是 LDO 输出电压随环境温度的变化一般也没有保证。从根本上来讲,最佳方法是用一颗温漂不错的电压基准来供给 ADC 基准,并且这个基准要满足低静态功耗和低温漂要求,但实际上,客户几乎无法承受这样的片外分立电压基准的成本。

  偏置电压问题。如何保证偏置电压和 ADC 的基准成比例漂移?偏置电压漂移是单端 ADC 应用局限造成的。如果是差分输入,就不会有这个问题。作为应对,有客户使用 ADC 的一个通道去采这个偏置电压,并在软件中做数字差分,但两个单端 ADC 通道的不一致性总会带来一些问题。尤其是当 ADC 裸数据只差了 1 个 LSB 就可能对最后精度造成影响的情况下。

  运放增益是使用电阻对配出来的,而电阻对的温漂匹配度也需要考虑。

  对于 NTC 采集环境通道的那一路,也推荐使用运放来做信号调理,从热电堆传感器原理来讲,环境温度采集精度事实上直接影响目标温度的精度。

  上述系统级问题加上运放本身的高要求,使得采用这种高精度运放+低成本处理器的方案难以真正达到医用级额温枪精度。或者即使勉强达到,其真实付出的硬件成本也并不低。这也是为何那些真正有历史和经验的大厂对这一类方案并不感冒的原因。

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  采用内部集成 PGA(差分仪表放大器结构)的 18 位以上 Sigma Delta ADC + 处理器的方案

  可能有人会质疑,ADI 或者 TI 这些大厂的 24 位高精度 Sigma Delta ADC 太贵,不适合额温枪这一准消费类应用。而事实上,原本在额温枪和耳温枪市场上的主力 24 位 Sigma Delta ADC,早就已经大部分是大陆和台湾厂商的天下。大陆的纳芯微、芯海,台湾的松翰,宏康等有 24 位 Sigma Delta ADC 技术的芯片厂家,其芯片价格都已经很低,与分立的高精度自稳零运放相比成本并没有差多少,而其性能上的优势和系统上的好处显而易见。这里就用纳芯微的 NSA2300 信号调理芯片(ADC)来举例,说明该方案和高精密运放的方案对比。

  首先,NSA2300 是 Sigma Delta ADC,由于其数模转换原理和数字滤波器的关系,一般在配置为较低输出率(ODR)的情况下,可以保证很高的信噪比。比如,NSA2300 在配置为 32768 过采样情况下,其输入等效噪声《80nV, 比 1uV 的要求小 10 倍以上,完全可以满足热电堆传感器用于额温枪的应用场合。

  其次,类似 NSA2300 这样的 ADC 其输入一般为差分输入。相对处理器内部的单端输入 ADC 而言,差分输入的优点是对于热电堆信号负上的共模电压,几乎没有任何精度上的要求。

  类似 NSA2300 这样的 ADC,一般内部都集成一级有高增益(64x 或 128x 以上)和高输入阻抗的 PGA。由于该类 ADC 其设计的应用场合以小电压 DC 量为主(比如电子秤),所以一般都带有斩波(chopping)功能以消除 PGA 偏置电压自身漂移。NSA2300 的输入,还可以开启输入正负极信号交换(SWAP)的特殊功能,如果使用软件正负方向各采集一次来做平均抵消,完全可以在全温度范围内做到输入等效偏置电压远小于 1uV。

  类似 NSA2300 这样的 ADC,其内部都带有一个低温飘电压基准,并且该基准电压一般为 1.8V 或者 2.5V。在 3V 电池供电的情况下,即使供电电压有一定下降,对其基准影响也相当有限,这一特点可以保证客户在电池供电不足的情况下依旧保证测量的精度。

  类似 NSA2300 这样的 ADC,其输入通道一般不止一路。所以可以使用一路采集热电堆的电压信号,而用另一路来采集基于 NTC 的环境温度。

  NSA2300 有低功耗工作模式。在低功耗模式下,它只有在采样时才打开内部电路开始工作,完成采样后立即进入低功耗休眠模式,其休眠静态电流在常温下仅 200nA,这样可以保证使用在电池供电型手持额温枪的长久使用时间。当然,这一特性并非所有 24 位 Sigma Delta ADC 都有。

  所以,无论性能还是价格,使用片外 24 位高精度 Sigma Delta ADC 的方案才是目前最适合热电堆传感器应用的可行方案。

  当然,前面分析只是针对硬件电路和硬件架构。事实上,满足医用级额温枪、耳温枪精度要求的热电堆传感器应用,保证高精度不仅需要符合指标要求的硬件,更为重要的是软件开发以及系统标定和校准。

  从软件层面来讲,客户都知道使用一个或两个查找表来进行目标温度检测。但更重要的是,在软件层面需要用更多的数字滤波器来帮助达到目标测量精度。比如,使用高阶 IIR/FIR 滤波器,在进一步提高信噪比的同时,也可以帮助减小手持额温枪进行测量时由于手抖或者待测目标不完全静止带来的影响。这样的数字滤波器算法,其开发需要大量实验数据支撑。

  从标定层面来讲,利用黑体和恒温槽来做目标和环境温度的标定是基本常识。可是,到底需要标定多少温度点才能保证在宽范围环境温度下的医用精度?从寒冷的俄罗斯,到酷热的印度和非洲,出口额温枪面临的宽环境温度范围使用条件更为复杂和苛刻,这就需要对高低温环境下的多温度点标定花大功夫进行实验和数据搜集。

  当然,热电堆传感器生产厂商也在不断做出技术迭代和创新。相信在不久的将来,更多热电堆厂商会推出可直接输出数字温度的热电堆传感器,并将其价格推到更为合理的区间。到了那个时候,热电堆传感器应用门槛会进一步降低,热电堆传感器也会在更多的消费电子应用领域被大家使用起来。

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