CN112393814B - 宽量程温度计算方法、系统、温度传感器及温度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种宽量程温度计算方法、系统、温度传感器及温度测量方法，属于传感器及温度测量补偿计算领域。所述宽量程温度计算方法包括：获取偏置电流为第一偏置电流I₁时晶体管产生的与温度相关的第一电压V_{BE_1}；将所述第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较：若V_{BE_1}≥V_{BE_g}，则获取偏置电流为第二偏置电流I₂时晶体管产生的与温度相关的第二电压V_{BE_2}；计算第一电压V_{BE_1}与第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；若V_{BE_1}＜V_{BE_g}，则获取偏置电流为第三偏置电流I₃时晶体管产生的与温度相关的第三电压V_{BE_3}；根据第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值。在超出温度界限时采用温度补偿公式计算温度值，实现非线性补偿，得到较为准确的温度值。

Description

宽量程温度计算方法、系统、温度传感器及温度测量方法

技术领域

本发明涉及传感器及温度测量补偿计算领域，具体地涉及一种基于温度补偿的宽量程温度计算方法、一种基于温度补偿的宽量程温度计算系统、一种宽量程温度传感器和一种宽量程温度传感器温度测量方法。

背景技术

温度作为生成过程中应用最广泛、最重要的工艺参数，无论在科学研究、工农业生产，还是电力等关乎民生的行业，都离不开温度测量。在整个生产及运行过程中，温度是评估设备是否正常运行的一个重要参考量。工作温度异常会加快设备内部电子元器件的老化速度，导致使用寿命缩短；温度持续升高会引发设备工作异常，造成线路损坏、引起短路乃至造成火灾。

目前，常见的晶体管集成温度传感器是利用两个工作在不同偏置电流条件下的晶体管所产生的基极-发射极电压差值ΔV_BE与绝对温度成正比(PTAT)的特性来得到温度数据。但此方法只在该特性有效的范围内成立，当实际温度超过一定限值时，硅材料由于本征载流子作用，晶体管的特性发生改变，此时晶体管基极-发射极电压差值ΔV_BE与温度之间的线性关系不复存在，所以无法再以此来得到准确的温度信号。因此，在不改变传感器类型的前提下，拓宽温度传感器的测量范围是使其能够在更多场景条件下工作的关键措施。但是，现有的温度测量技术并不能使晶体管在较高温度环境下进行测量。

申请号为201811082218.0，名称为CMOS温度传感器及温度检测方法的发明专利公开了：信号采集模块，用于产生偏置电流、与温度有关的第一电压及与温度有关的第二电压；模数转换模块，基于所述偏置电流、所述与温度有关的第一电压及所述与温度有关的第二电压将采集到的温度信息转化为数字信号输出。复用信号采集模块获得偏置电流及与温度有关的第一电压及与温度有关的第二电压；基于所述与温度有关的第一电压与所述与温度有关的第二电压建立温度信息的补偿分式，分母和分子均为ΔV_BE与V_BE的线性组合，利用分母的非线性补偿分子的非线性，获得温度信息的数字信号。该发明通过建立温度信息的补偿分式提高温度测量的精确度。但在温度较高时，ΔV_BE与温度之间的线性关系不再成立，此时无法再利用该发明中的补偿分度对温度信息进行非线性补偿。

发明内容

本发明实施方式的目的是提供一种宽量程温度计算方法、系统、温度传感器及温度测量方法，该方法利用晶体管V_BE与温度有关的特性，在温度界限值内利用ΔV_BE与温度之间的线性关系计算温度值，实现温度测量，在超出温度界限时采用温度补偿公式计算温度值，实现非线性补偿，得到较为准确的温度值，克服温度升高到一定程度时造成晶体管ΔV_BE与温度之间线性关系失效的问题，拓宽温度传感器的测量范围。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种基于温度补偿的宽量程温度计算方法，应用于宽量程晶体管集成温度传感器，所述方法包括：

S1：获取偏置电流为第一偏置电流I₁时晶体管产生的与温度相关的第一电压V_{BE_1}；

S2：将所述第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较：

S21：若V_{BE_1}≥V_{BE_g}，则获取偏置电流为第二偏置电流I₂时所述晶体管产生的与温度相关的第二电压V_{BE_2}；计算第一电压V_{BE_1}与第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；

S22：若V_{BE_1}＜V_{BE_g}，则获取偏置电流为第三偏置电流I₃时所述晶体管产生的与温度相关的第三电压V_{BE_3}；根据第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值。

可选的，所述电压阈值V_{BE_g}存在以下关系：

V_{BE_g}＝A×T₀ ²+B×T₀+C；

其中，

其中，T₀＝438K，n为温度校准的次数，T′为校准温度，V_BE为温度校准过程中所述晶体管产生的与温度相关的电压。通过在标准温度环境下进行校准，并根据校准采集的电压进行计算得到温度界限值的电压阈值作为参考电压阈值，便于在实际温度测量时确定温度值计算的方式。

进一步地，所述温度界限值为晶体管基极-发射极电压差值ΔV_BE与温度之间呈线性关系范围内的某一温度值。温度界限值的选取保证了在温度低于温度界限值的范围内晶体管基极-发射极电压差值ΔV_BE与温度呈线性关系，温度界限值将晶体管测量的温度分隔为符合线性关系的第一范围和不符合线性关系的第二范围，便于在实际温度测量时根据不同的范围采用不同的温度计算方式。温度界限值应尽可能选择在晶体管基极-发射极电压差值ΔV_BE与温度呈线性关系范围内的较大值。

进一步地，所述温度补偿公式满足以下关系：

T＝[1+(D-A)]M+ΔT；

其中，

其中，M为所述晶体管在实验室中测量得到与所述第三电压V_{BE_3}相等的电压时对应的温度值，T与ΔT均为开尔文温度，K的取值范围为[3.6,3.9]，m≈-1.5；E_g为硅的带隙能量，q为元电荷量，k为玻尔兹曼常数。通过温度补偿公式对晶体管自身随温度变化的非线性进行补偿，降低温度测量误差。

本发明第二方面提供一种基于温度补偿的宽量程温度计算系统，所述系统包括：

电压获取模块，用于获取偏置电流为第一偏置电流I₁时晶体管产生的与温度相关的第一电压V_{BE_1}，获取偏置电流为第二偏置电流I₂时晶体管产生的与温度相关的第二电压V_{BE_2}，以及获取偏置电流为第三偏置电流I₃时晶体管产生的与温度相关的第三电压V_{BE_3}；

电压比较模块，将所述第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较，得到比较结果；

温度值计算模块，用于在比较结果为V_{BE_1}≥V_{BE_g}时，计算第一电压V_{BE_1}与第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；用于在比较结果为V_{BE_1}＜V_{BE_g}时，根据第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值。该方法利用晶体管V_BE与温度有关的特性，在温度界限值内利用ΔV_BE与温度之间的线性关系计算温度值，实现温度测量，在超出温度界限时采用温度补偿公式计算温度值，实现非线性补偿，得到较为准确的温度值，克服温度升高到一定程度时造成晶体管ΔV_BE与温度之间线性关系失效的问题。

进一步地，所述系统还包括：电压阈值计算模块，用于根据温度校准过程中所述晶体管产生的与温度相关的电压和温度校准次数计算电压阈值V_{BE_g}。通过在标准温度环境下进行校准，并根据校准采集的电压进行计算得到温度界限值的电压阈值作为参考电压阈值，便于在实际温度测量时确定温度值计算的方式。

本发明第三方面提供一种基于温度补偿的宽量程温度传感器，所述传感器包括：

信号采集模块，用于在不同偏置电流时产生与温度相关的电压；以及

温度量化模块，用于采集所述信号采集模块产生的与温度相关的电压并转换为数字信号，将偏置电流为第一偏置电流I₁时晶体管产生的与温度相关的第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较，并根据比较结果产生不同的偏置电流提供给所述信号采集模块；

用于计算所述第一电压V_{BE_1}与偏置电流为第二偏置电流I₂时所述晶体管产生的与温度相关的第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，从而根据ΔV_BE计算温度值；或

用于根据偏置电流为第三偏置电流I₃时所述晶体管产生的与温度相关的第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值。温度量化模块在大于温度界限值的温度范围内采用温度补偿公式对温度信息进行非线性补偿得到补偿后的温度信息，有效增大温度传感器的测量范围。

进一步地，所述信号采集模块包括功率晶体管，所述功率晶体管的发射极接地，基极与集电极相连；所述温度量化模块包括：可控电流源、开关、温度感知电路和逻辑控制电路；所述可控电流源的控制端与所述逻辑控制电路的电源控制端连接，所述可控电流源的输出端与所述开关的第一端连接，所述开关的第二端与所述感知电路的输入端以及所述功率晶体管的基极与集电极连接，所述开关的控制端与所述逻辑控制电路的开关控制端连接，所述感知电路的输出端与所述逻辑控制电路的电压信号输入端连接；

所述逻辑控制电路用于控制所述开关闭合，同时控制所述可控电流源产生第一偏置电流I₁提供给所述功率晶体管；

所述功率晶体管根据所述第一偏置电流I₁产生与温度相关的第一电压V_{BE_1}并传输到所述感知电路，所述感知电路采集所述第一电压V_{BE_1}并传输到所述逻辑控制电路，所述逻辑控制电路将所述第一电压V_{BE_1}与电压阈值进行比较后控制所述可控电流源产生第二偏置电流I₂或第三偏置电流I₃；

所述功率晶体管根据所述第二偏置电流I₂产生与温度相关的第二电压V_{BE_2}，所述感知电路采集所述第二电压V_{BE_2}并传输到所述逻辑控制电路，所述逻辑控制电路计算所述第一电压V_{BE_1}与所述第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；

所述功率晶体管根据所述第三偏置电流I₃产生与温度相关的第三电压V_{BE_3}，所述感知电路采集所述第三电压V_{BE_3}并传输到所述逻辑控制电路，所述逻辑控制电路根据所述第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值。通过可控电流源为晶体管提供不同的偏置电流，采用功率晶体管复用的方式，分别进行两次基极-发射级电压的测量和采集，使温度传感器的工作温度范围完全由功率晶体管自身决定，有效降低了温度采集模块的电路复杂度和成本。信号采集模块中不再需要具备偏置电流源，功率晶体管管芯的漏电可以被温度量化模块完全感知采集，有效降低了温度测量的误差。

进一步地，所述温度量化模块还包括：低噪声差分放大器、模数转化电路和存储器，所述感知电路的输出端与所述低噪声差分放大器的输入端连接，所述低噪声差分放大器的输出端与所述模数转化电路的输入端连接，所述模数转化电路的输出端与所述逻辑控制电路的电压输入端连接，所述存储器与所述逻辑控制电路连接；

所述感知电路用于采集所述第一电压V_{BE_1}、第二电压V_{BE_2}和第三电压V_{BE_3}并经过所述低噪声差分发放大器放大后，由所述模数转化电路转化为数字信号后传输到所述逻辑控制电路；

所述逻辑控制电路用于将所述第一电压V_{BE_1}、第二电压V_{BE_2}和第三电压V_{BE_3}传输到所述存储器进行存储。采集的电压信号经过放大、模数转换后传输到逻辑控制电路进行处理和存储。

进一步地，所述温度量化模块还包括：I²C通用接口电路或无线通信电路，所述I²C通用接口电路或所述无线通信电路与所述逻辑控制电路连接，用于将所述逻辑控制电路计算得到的温度值通过所述I²C通用接口电路或所述无线通信电路传输到远程MCU处理器。实现温度传感器与远程MCU之间的通信，实现远程数据采集。

本发明第四方面提供一种宽量程温度传感器温度测量方法，该方法应用所述的基于温度补偿的宽量程温度传感器，所述方法包括：

所述宽量程温度传感器的温度量化模块向信号采集模块提供第一偏置电流I₁；

所述信号采集模块根据所述第一偏置电流I₁产生与温度相关的第一电压V_{BE_1}；

所述温度量化模块采集所述第一电压V_{BE_1}，并将所述第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较：

A：若V_{BE_1}≥V_{BE_g}，则所述温度量化模块向所述信号采集模块提供第二偏置电流I₂，所述信号采集模块根据所述第二偏置电流I₂产生与温度相关的第二电压V_{BE_2}；计算第一电压V_{BE_1}与第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；

B：若V_{BE_1}＜V_{BE_g}，所述温度量化模块向所述信号采集模块提供第三偏置电流I₃；所述信号采集模块根据所述第三偏置电流I₃产生与温度相关的第三电压V_{BE_3}；根据第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值；

所述第三偏置电流I₃的提供时间t与所述信号采集模块休眠时间T的比值存在如下关系：t/T＜＜1。温度传感器在进行温度测量时，温度量化模块在高于温度界限值的温度范围内采用温度补偿公式对温度信息进行非线性补偿得到补偿后的温度信息，有效增大温度传感器的测量范围。同时在使用晶体管作为温度信息采集元件不变的前提下，在高于温度界限值的温度范围内测量时，第三偏置电流I₃的提供时间t远远小于信号采集模块休眠时间T，以保证功率三极管的结温等于环境温度。

另一方面，本发明提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行所述的基于温度补偿的宽量程温度计算方法。

通过上述技术方案，提供一种基于温度补偿的宽量程温度计算方法，利用晶体管V_BE与温度有关的特性，在温度界限值内利用ΔV_BE与温度之间的线性关系计算温度值，实现温度测量，在超出温度界限时采用温度补偿公式计算温度值，实现非线性补偿，得到较为准确的温度值，克服温度升高到一定程度时造成晶体管ΔV_BE与温度之间线性关系失效的问题，拓宽温度传感器的测量范围。

提供一种基于温度补偿的宽量程温度传感器，该温度传感器在大于温度界限值的温度范围内采用温度补偿公式对温度信息进行非线性补偿得到补偿后的温度信息，有效增大温度传感器的测量范围。

提供一种温度测量方法，在使用晶体管作为温度信息采集元件不变的前提下，在高于温度界限值的温度范围内测量时，第三偏置电流I₃的提供时间t远远小于信号采集模块休眠时间T，以保证功率三极管的结温等于环境温度，增大使用寿命。

本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：

图1是本发明一种实施方式提供的基于温度补偿的宽量程温度计算方法流程图；

图2是本发明一种实施方式提供的基于温度补偿的宽量程温度计算系统框图；

图3是本发明一种实施方式提供的基于温度补偿的宽量程温度传感器示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

图1是本发明一种实施方式提供的基于温度补偿的宽量程温度计算方法流程图。如图1所示，该方法应用于宽量程晶体管集成温度传感器，所述方法包括：

S1：获取偏置电流为第一偏置电流I₁时晶体管产生的与温度相关的第一电压V_{BE_1}；

S2：将所述第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较：

S21：若V_{BE_1}≥V_{BE_g}，则获取偏置电流为第二偏置电流I₂时所述晶体管产生的与温度相关的第二电压V_{BE_2}；计算第一电压V_{BE_1}与第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；

S22：若V_{BE_1}＜V_{BE_g}，则获取偏置电流为第三偏置电流I₃时所述晶体管产生的与温度相关的第三电压V_{BE_3}；根据第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值。

可选的，所述电压阈值V_{BE_g}存在以下关系：

V_{BE_g}＝A×T₀ ²+B×T₀+C；

其中，

其中，T₀＝438K，n为温度校准的次数，T′为校准温度，V_BE为温度校准过程中所述晶体管产生的与温度相关的电压。通过在标准温度环境下进行校准，并根据校准采集的电压进行计算得到温度界限值的电压阈值作为参考电压阈值，便于在实际温度测量时确定温度值计算的方式。

进一步地，所述温度界限值为晶体管基极-发射极电压差值ΔV_BE与温度之间呈线性关系范围内的某一温度值。温度界限值的选取保证了在温度低于温度界限值的范围内晶体管基极-发射极电压差值ΔV_BE与温度呈线性关系，温度界限值将晶体管测量的温度分隔为符合线性关系的第一范围和不符合线性关系的第二范围，便于在实际温度测量时根据不同的范围采用不同的温度计算方式。温度界限值应尽可能选择在晶体管基极-发射极电压差值ΔV_BE与温度呈线性关系范围内的较大值。

进一步地，所述温度补偿公式满足以下关系：

T＝[1+(D-A)]M+ΔT；

其中，

其中，M为所述晶体管在实验室中测量得到与所述第三电压V_{BE_3}相等的电压时对应的温度值，T与ΔT均为开尔文温度，K的取值范围为[3.6,3.9]，m≈-1.5；E_g为硅的带隙能量，q为元电荷量，k为玻尔兹曼常数。通过温度补偿公式对晶体管自身随温度变化的非线性进行补偿，降低温度测量误差。

需要说明的是，偏置电流越大晶体管PN结结温越高，且当晶体管工作在较高温度环境下时，PN结结温会升高，因此在V_{BE_1}＜V_{BE_g}时，适当降低产生的第三偏置电流I₃的大小，可以有效地在较高温度下保护晶体管不被烧毁。

图2是本发明一种实施方式提供的基于温度补偿的宽量程温度计算系统框图。如图2所示，所述系统包括：

电压获取模块，用于获取偏置电流为第一偏置电流I₁时晶体管产生的与温度相关的第一电压V_{BE_1}，获取偏置电流为第二偏置电流I₂时晶体管产生的与温度相关的第二电压V_{BE_2}，以及获取偏置电流为第三偏置电流I₃时晶体管产生的与温度相关的第三电压V_{BE_3}；

电压比较模块，将所述第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较，得到比较结果；

温度值计算模块，用于在比较结果为V_{BE_1}≥V_{BE_g}时，计算第一电压V_{BE_1}与第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；用于在比较结果为V_{BE_1}＜V_{BE_g}时，根据第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值。该方法利用晶体管V_BE与温度有关的特性，在温度界限值内利用ΔV_BE与温度之间的线性关系计算温度值，实现温度测量，在超出温度界限时采用温度补偿公式计算温度值，实现非线性补偿，得到较为准确的温度值，克服温度升高到一定程度时造成晶体管ΔV_BE与温度之间线性关系失效的问题。

进一步地，所述系统还包括：电压阈值计算模块，用于根据温度校准过程中所述晶体管产生的与温度相关的电压和温度校准次数计算电压阈值V_{BE_g}。通过在标准温度环境下进行校准，并根据校准采集的电压进行计算得到温度界限值的电压阈值作为参考电压阈值，便于在实际温度测量时确定温度值计算的方式。

图3是本发明一种实施方式提供的基于温度补偿的宽量程温度传感器示意图。如图3所示，所述传感器包括：

信号采集模块，用于在不同偏置电流时产生与温度相关的电压；以及

温度量化模块，用于采集所述信号采集模块产生的与温度相关的电压并转换为数字信号，将偏置电流为第一偏置电流I₁时晶体管产生的与温度相关的第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较，并根据比较结果产生不同的偏置电流提供给所述信号采集模块；

用于计算所述第一电压V_{BE_1}与偏置电流为第二偏置电流I₂时所述晶体管产生的与温度相关的第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，从而根据ΔV_BE计算温度值；或

用于根据偏置电流为第三偏置电流I₃时所述晶体管产生的与温度相关的第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值。温度量化模块在大于温度界限值的温度范围内采用温度补偿公式对温度信息进行非线性补偿得到补偿后的温度信息，有效增大温度传感器的测量范围。

进一步地，所述信号采集模块包括功率晶体管，所述功率晶体管的发射极接地，基极与集电极相连；所述温度量化模块包括：可控电流源、开关、温度感知电路和逻辑控制电路；所述可控电流源的控制端与所述逻辑控制电路的电源控制端连接，所述可控电流源的输出端与所述开关的第一端连接，所述开关的第二端与所述感知电路的输入端以及所述功率晶体管的基极与集电极连接，所述开关的控制端与所述逻辑控制电路的开关控制端连接，所述感知电路的输出端与所述逻辑控制电路的电压信号输入端连接；

所述逻辑控制电路用于控制所述开关闭合，同时控制所述可控电流源产生第一偏置电流I₁提供给所述功率晶体管；

所述功率晶体管根据所述第一偏置电流I₁产生与温度相关的第一电压V_{BE_1}并传输到所述感知电路，所述感知电路采集所述第一电压V_{BE_1}并传输到所述逻辑控制电路，所述逻辑控制电路将所述第一电压V_{BE_1}与电压阈值进行比较后控制所述可控电流源产生第二偏置电流I₂或第三偏置电流I₃；

所述功率晶体管根据所述第二偏置电流I₂产生与温度相关的第二电压V_{BE_2}，所述感知电路采集所述第二电压V_{BE_2}并传输到所述逻辑控制电路，所述逻辑控制电路计算所述第一电压V_{BE_1}与所述第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；

所述功率晶体管根据所述第三偏置电流I₃产生与温度相关的第三电压V_{BE_3}，所述感知电路采集所述第三电压V_{BE_3}并传输到所述逻辑控制电路，所述逻辑控制电路根据所述第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值。通过可控电流源为晶体管提供不同的偏置电流，采用功率晶体管复用的方式，分别进行两次基极-发射级电压的测量和采集，使温度传感器的工作温度范围完全由功率晶体管自身决定，有效降低了温度采集模块的电路复杂度和成本。信号采集模块中不再需要具备偏置电流源，功率晶体管管芯的漏电可以被温度量化模块完全感知采集，有效降低了温度测量的误差。

进一步地，所述温度量化模块还包括：低噪声差分放大器、模数转化电路和存储器，所述感知电路的输出端与所述低噪声差分放大器的输入端连接，所述低噪声差分放大器的输出端与所述模数转化电路的输入端连接，所述模数转化电路的输出端与所述逻辑控制电路的电压输入端连接，所述存储器与所述逻辑控制电路连接；

所述感知电路用于采集所述第一电压V_{BE_1}、第二电压V_{BE_2}和第三电压V_{BE_3}并经过所述低噪声差分发放大器放大后，由所述模数转化电路转化为数字信号后传输到所述逻辑控制电路；

所述逻辑控制电路用于将所述第一电压V_{BE_1}、第二电压V_{BE_2}和第三电压V_{BE_3}传输到所述存储器进行存储。采集的电压信号经过放大、模数转换后传输到逻辑控制电路进行处理和存储。在一些实施例中模数转化电路采用∑-ΔADC，存储器采用非易失性存储器NVM。在其他实施例中，存储器可采用其他存储装置。

进一步地，所述温度量化模块还包括：I²C通用接口电路或无线通信电路，所述I²C通用接口电路或所述无线通信电路与所述逻辑控制电路连接，用于将所述逻辑控制电路计算得到的温度值通过所述I²C通用接口电路或所述无线通信电路传输到远程MCU处理器。实现温度传感器与远程MCU之间的通信，实现远程数据采集。

本发明第四方面提供一种宽量程温度传感器温度测量方法，该方法应用所述的基于温度补偿的宽量程温度传感器，所述方法包括：

所述宽量程温度传感器的温度量化模块向信号采集模块提供第一偏置电流I₁；

所述信号采集模块根据所述第一偏置电流I₁产生与温度相关的第一电压V_{BE_1}；

所述温度量化模块采集所述第一电压V_{BE_1}，并将所述第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较：

A：若V_{BE_1}≥V_{BE_g}，则所述温度量化模块向所述信号采集模块提供第二偏置电流I₂，所述信号采集模块根据所述第二偏置电流I₂产生与温度相关的第二电压V_{BE_2}；计算第一电压V_{BE_1}与第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；

B：若V_{BE_1}＜V_{BE_g}，所述温度量化模块向所述信号采集模块提供第三偏置电流I₃；所述信号采集模块根据所述第三偏置电流I₃产生与温度相关的第三电压V_{BE_3}；根据第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值；

所述第三偏置电流I₃的提供时间t与所述信号采集模块的休眠时间T的比值存在如下关系：t/T＜＜1。温度传感器在进行温度测量时，温度量化模块在高于温度界限值的温度范围内采用温度补偿公式对温度信息进行非线性补偿得到补偿后的温度信息，有效增大温度传感器的测量范围。同时在使用晶体管作为温度信息采集元件不变的前提下，在高于温度界限值的温度范围内测量时，第三偏置电流I₃的提供时间t远远小于信号采集模块休眠时间T，以保证功率三极管的结温等于环境温度。

在本发明的一个实施例中，以[-55,200]℃为例对本发明的温度测量方法进行详细说明，本实施例温度界限值设定为165℃，温度界限值将温度划分为[-55,165]℃和[165,200]℃。

在温度传感器正式使用前，需要在标准温度环境下进行校准得到温度界限值的电压阈值，校准温度可以在晶体管基极-发射极电压差值ΔV_BE与温度呈线性关系范围内的任意值。在本实施例中，采用的校准温度为25℃和45℃。在校准时温度量化模块采集与温度有关的第一校准电压和与温度有关的第二校准电压来计算温度传感器在165℃时的阈值V_{BE_g}。在本发明的其他实施例中可根据校准环境和条件选定校准温度，以及根据具体晶体管的工艺参数选择温度界限值，并且预设值A、B、C随温度传感器的工艺参数变化而会发生一定变化，只需满足上述阈值计算关系式即可。

在实际进行温度测量时，可以将信号采集模块和温度量化模块分立设置。用于远程温度测量时，温度传感器通过I²C通用接口电路或无线通信电路与远程MCU处理器通信，远程MCU处理器唤醒温度传感器后，温度量化模块闭合开关，并向信号采集模块中的功率晶体管提供第一偏置电流I₁，信号采集模块中的功率晶体管产生与温度有关的第一电压V_{BE_1}，通过感知电路、低噪声差分放大器、模数转换等进行采集和量化，并将第一电压V_{BE_1}存储在存储器中。逻辑控制电路将第一电压V_{BE_1}与使用前校准所得到的电压阈值V_{BE_g}进行比较，若V_{BE_1}≥V_{BE_g}，则说明此时环境温度属于[-55,165]℃，此时温度量化模块改变偏置电流为第二偏置电流I₂，复用信号采集模块中的晶体管产生与温度有关的第二电压V_{BE_2}，通过感知电路、低噪声差分放大器、模数转换等进行采集和量化，并将V_{BE_2}存储在温度量化模块中的存储器；将第一电压V_{BE_1}与第二电压V_{BE_2}做差差得到与绝对温度成正比的ΔV_BE，通过计算得到具体的温度值并发送至远程MCU处理器。

当V_{BE_1}＜V_{BE_g}，则说明此时环境温度属于[165,200]℃，此时温度量化模块改变偏置电流为第三偏置电流I₃，复用信号采集模块中的晶体管产生与温度有关的第三电压V_{BE_3}，通过感知电路、低噪声差分放大器、模数转换等进行采集和量化，并将V_{BE_3}存储在温度量化模块中的存储器，根据第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值，通过所建立的温度补偿公式对晶体管自身随温度变化的非线性进行补偿，达到降低温度测量误差的目的，此时晶体管工作在较高温度下，PN结结温会升高，且偏置电流越大，结温越高，适当降低第三偏置电流的大小，以有效地在较高温度下保护晶体管不被烧毁。

本发明通过确定温度界限值将较宽温度范围分为高低两部分，分别用两种方法进行温度测量，有效增大晶体管集成温度传感器的测量范围。在高温度范围内通过建立晶体管基极-发射极电压与温度之间的非线性关系，以及温度补偿公式对温度信息进行非线性补偿得到补偿后的温度信息。通过将晶体管与温度量化分立以及复用晶体管进行测量的方法，使温度传感器的工作温度范围完全由晶体管自身决定，与传统晶体管温度传感器相比，有效降低了温度采集模块的电路复杂度和成本。

另一方面，本发明提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行所述的基于温度补偿的宽量程温度计算方法。

本领域技术人员可以理解实现上述实施方式的方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (10)

1.一种基于温度补偿的宽量程温度计算方法，应用于宽量程晶体管集成温度传感器，其特征在于，所述方法包括：

S1：获取偏置电流为第一偏置电流I₁时晶体管产生的与温度相关的第一电压V_{BE_1}；

S2：将所述第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较：

S21：若V_{BE_1}≥V_{BE_g}，则获取偏置电流为第二偏置电流I₂时所述晶体管产生的与温度相关的第二电压V_{BE_2}；计算第一电压V_{BE_1}与第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；

S22：若V_{BE_1}＜V_{BE_g}，则获取偏置电流为第三偏置电流I₃时所述晶体管产生的与温度相关的第三电压V_{BE_3}；根据第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值；

所述温度界限值为晶体管基极-发射极电压差值ΔV_BE与温度之间呈线性关系范围内的某一温度值；

所述温度补偿公式满足以下关系：

T＝[1+(D-A)]M+ΔT；

其中，

其中，M为所述晶体管在实验室中测量得到与所述第三电压V_{BE_3}相等的电压时对应的温度值，T与ΔT均为开尔文温度，K的取值范围为[3.6,3.9]，m≈-1.5；E_g为硅的带隙能量，q为元电荷量，k为玻尔兹曼常数，V_BE为温度校准过程中所述晶体管产生的与温度相关的电压。

2.根据权利要求1所述的基于温度补偿的宽量程温度计算方法，其特征在于，所述电压阈值V_{BE_g}存在以下关系：

V_{BE_g}＝A×T₀ ²+B×T₀+C；

其中，

其中，T₀＝438K，n为温度校准的次数，T′为校准温度，V_{BE_T′}为当校准温度为T′时所述晶体管产生的与温度相关的电压。

3.一种基于温度补偿的宽量程温度计算系统，其特征在于，所述系统包括：

电压获取模块，用于获取偏置电流为第一偏置电流I₁时晶体管产生的与温度相关的第一电压V_{BE_1}，获取偏置电流为第二偏置电流I₂时晶体管产生的与温度相关的第二电压V_{BE_2}，以及获取偏置电流为第三偏置电流I₃时晶体管产生的与温度相关的第三电压V_{BE_3}；

电压比较模块，将所述第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较，得到比较结果；

温度值计算模块，用于在比较结果为V_{BE_1}≥V_{BE_g}时，计算第一电压V_{BE_1}与第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；用于在比较结果为V_{BE_1}＜V_{BE_g}时，根据第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值；

所述温度界限值为晶体管基极-发射极电压差值ΔV_BE与温度之间呈线性关系范围内的某一温度值；

所述温度补偿公式满足以下关系：

T＝[1+(D-A)]M+ΔT；

其中，

其中，M为所述晶体管在实验室中测量得到与所述第三电压V_{BE_3}相等的电压时对应的温度值，T与ΔT均为开尔文温度，K的取值范围为[3.6,3.9]，m≈-1.5；E_g为硅的带隙能量，q为元电荷量，k为玻尔兹曼常数，V_BE为温度校准过程中所述晶体管产生的与温度相关的电压。

4.根据权利要求3所述的基于温度补偿的宽量程温度计算系统，其特征在于，所述系统还包括：电压阈值计算模块，用于根据温度校准过程中所述晶体管产生的与温度相关的电压和温度校准次数计算电压阈值V_{BE_g}。

5.一种基于温度补偿的宽量程温度传感器，其特征在于，所述传感器包括：

信号采集模块，用于在不同偏置电流时产生与温度相关的电压；以及

温度量化模块，用于：

采集所述信号采集模块产生的与温度相关的电压并转换为数字信号，将偏置电流为第一偏置电流I₁时晶体管产生的与温度相关的第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较，并根据比较结果产生不同的偏置电流提供给所述信号采集模块；

计算所述第一电压V_{BE_1}与偏置电流为第二偏置电流I₂时所述晶体管产生的与温度相关的第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；或

根据偏置电流为第三偏置电流I₃时所述晶体管产生的与温度相关的第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值；

所述温度界限值为晶体管基极-发射极电压差值ΔV_BE与温度之间呈线性关系范围内的某一温度值；

所述温度补偿公式满足以下关系：

T＝[1+(D-A)]M+ΔT；

其中，

其中，M为所述晶体管在实验室中测量得到与所述第三电压V_{BE_3}相等的电压时对应的温度值，T与ΔT均为开尔文温度，K的取值范围为[3.6,3.9]，m≈-1.5；E_g为硅的带隙能量，q为元电荷量，k为玻尔兹曼常数，V_BE为温度校准过程中所述晶体管产生的与温度相关的电压。

6.根据权利要求5所述的基于温度补偿的宽量程温度传感器，其特征在于，所述信号采集模块包括功率晶体管，所述功率晶体管的发射极接地，基极与集电极相连；

所述温度量化模块包括：可控电流源、开关、温度感知电路和逻辑控制电路；所述可控电流源的控制端与所述逻辑控制电路的电源控制端连接，所述可控电流源的输出端与所述开关的第一端连接，所述开关的第二端与所述感知电路的输入端以及所述功率晶体管的基极与集电极连接，所述开关的控制端与所述逻辑控制电路的开关控制端连接，所述感知电路的输出端与所述逻辑控制电路的电压信号输入端连接；

所述逻辑控制电路用于控制所述开关闭合，同时控制所述可控电流源产生第一偏置电流I₁提供给所述功率晶体管；

所述功率晶体管根据所述第一偏置电流I₁产生与温度相关的第一电压V_{BE_1}并传输到所述感知电路，所述感知电路采集所述第一电压V_{BE_1}并传输到所述逻辑控制电路，所述逻辑控制电路将所述第一电压V_{BE_1}与电压阈值进行比较后控制所述可控电流源产生第二偏置电流I₂或第三偏置电流I₃；

所述功率晶体管根据所述第二偏置电流I₂产生与温度相关的第二电压V_{BE_2}，所述感知电路采集所述第二电压V_{BE_2}并传输到所述逻辑控制电路，所述逻辑控制电路计算所述第一电压V_{BE_1}与所述第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；

所述功率晶体管根据所述第三偏置电流I₃产生与温度相关的第三电压V_{BE_3}，所述感知电路采集所述第三电压V_{BE_3}并传输到所述逻辑控制电路，所述逻辑控制电路根据所述第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值。

7.根据权利要求6所述的基于温度补偿的宽量程温度传感器，其特征在于，所述温度量化模块还包括：低噪声差分放大器、模数转化电路和存储器，所述感知电路的输出端与所述低噪声差分放大器的输入端连接，所述低噪声差分放大器的输出端与所述模数转化电路的输入端连接，所述模数转化电路的输出端与所述逻辑控制电路的电压输入端连接，所述存储器与所述逻辑控制电路连接；

所述感知电路用于采集所述第一电压V_{BE_1}、第二电压V_{BE_2}和第三电压V_{BE_3}并经过所述低噪声差分发放大器放大后，由所述模数转化电路转化为数字信号后传输到所述逻辑控制电路；

所述逻辑控制电路用于将所述第一电压V_{BE_1}、第二电压V_{BE_2}和第三电压V_{BE_3}传输到所述存储器进行存储。

8.根据权利要求7所述的基于温度补偿的宽量程温度传感器，其特征在于，所述温度量化模块还包括：I²C通用接口电路或无线通信电路，所述I²C通用接口电路或所述无线通信电路与所述逻辑控制电路连接，用于将所述逻辑控制电路计算得到的温度值通过所述I²C通用接口电路或所述无线通信电路传输到远程MCU处理器。

9.一种宽量程温度传感器温度测量方法，其特征在于，该方法应用权利要求5-8中任一项所述的基于温度补偿的宽量程温度传感器，所述方法包括：

所述宽量程温度传感器的温度量化模块向信号采集模块提供第一偏置电流I₁；

所述信号采集模块根据所述第一偏置电流I₁产生与温度相关的第一电压V_{BE_1}；

所述温度量化模块采集所述第一电压V_{BE_1}，并将所述第一电压V_{BE_1}与温度界限值对应的电压阈值V_{BE_g}进行比较：

A：若V_{BE_1}≥V_{BE_g}，则所述温度量化模块向所述信号采集模块提供第二偏置电流I₂，所述信号采集模块根据所述第二偏置电流I₂产生与温度相关的第二电压V_{BE_2}；计算第一电压V_{BE_1}与第二电压V_{BE_2}的差值ΔV_BE，根据ΔV_BE计算温度值；

B：若V_{BE_1}＜V_{BE_g}，所述温度量化模块向所述信号采集模块提供第三偏置电流I₃；所述信号采集模块根据所述第三偏置电流I₃产生与温度相关的第三电压V_{BE_3}；根据第三电压V_{BE_3}和温度补偿公式计算温度值；

所述第三偏置电流I₃的提供时间t与所述信号采集模块的休眠时间T的比值存在如下关系：t/T＜＜1。

10.一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行权利要求1-2中任一项所述的基于温度补偿的宽量程温度计算方法。

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