TMP117 高精度数字温度测量设计指南

TMP117 是一款经过出厂校准的本地数字温度传感器，适合对零点几摄氏度误差敏感的测量系统。TI 官方产品页面列出了数字温度输出、I2C 与 SMBus 接口、可编程温度门限、低功耗和非易失存储等功能。它可以省去铂电阻方案中的精密激励、模拟调理和高分辨率 ADC，但系统仍要解决热传导问题。芯片测到的是自身硅片温度，而不是远处物体的理想温度。

TMP117 数据手册给出的最大误差为：-20°C 至 50°C 范围内 ±0.1°C，-40°C 至 70°C 范围内 ±0.15°C，温度范围继续扩大时误差上限也随之增加。16 位结果的每个最低有效位对应 0.0078125°C。分辨率远小于准确度误差，因此读数显示很多小数位并不等于系统具备同样的绝对准确度。

设计开始时应先写清被测对象。环境空气、金属表面、流体管路、皮肤接触面和 PCB 局部位置需要完全不同的热路径。铜箔、板厚、焊点、封装焊盘、附近发热器件以及气流共同决定传感器最终跟随哪一个温度。

先按实际温度范围分配误差

±0.1°C 的指标只覆盖 -20°C 至 50°C。若设备需要在更宽范围工作，应采用对应的最大误差：-40°C 至 70°C 为 ±0.15°C，-40°C 至 100°C 为 ±0.2°C，-55°C 至 125°C 为 ±0.25°C，-55°C 至 150°C 为 ±0.3°C。

系统误差还包括被测对象与封装之间的温差、自热、外壳温度梯度、机械应力、电源变化、参考仪器不确定度和测试重复性。应逐项估算或实测，而不能把 0.0078125°C 的码宽当成总误差。

TI 说明生产测试具备 NIST 可追溯性，所用设备通过 ISO/IEC 17025 认可的校准链验证。这项信息支持器件测试记录，但不能自动覆盖整机中未知的热阻和温度梯度。

封装选择要与热接触方式一起决定

TMP117 提供 2.00 mm × 2.00 mm 的六引脚 WSON 和更小的六焊球 DSBGA。WSON 更适合常规装配，并提供明确的裸露热焊盘区域。DSBGA 面积和热质量更小，但对贴装、检测与板面工艺要求更高。

对于刚性 PCB，TI 建议在无需系统校准而又追求高准确度时不要焊接 WSON 热焊盘。焊接热焊盘可以加强与板子的热耦合并缩短响应时间，却可能因封装应力引入额外误差。必须焊接时，热焊盘应悬空或接地，并采用受控回流工艺。

如果目标是测量固体表面，就要降低目标表面到传感器的热阻。如果目标是环境空气，则要削弱主板发热区的热传导。先确定需要保留的主热路径，再处理其他干扰路径。

环境测温可采用热岛结构

TI 表面贴装温度传感器布局报告指出，在传感器周围开局部铣槽或切口，可以显著降低热量通过 FR4 传入。由狭窄连接颈支撑的小热岛能够远离处理器和电源器件的热源。

应逐层检查铜箔。顶层看起来已经隔离，但内层地平面或电源平面仍可能跨越开槽，形成很强的热桥。传感器附近的接地过孔也会快速把热量带回主板，只有需要这种耦合时才应使用。

热岛还必须接触真正的被测介质。测空气时，要考虑通风口、板子方向、气流先后顺序和外壳内壁的热辐射。若传感器藏在显示屏、暖电池仓或封闭角落，它读到的是该局部小环境。

把局部热源放在热岛之外

上拉电阻、指示灯、振荡器和稳压器产生的偏差可能大于传感器本身的误差。TI 特别提醒上拉电阻可能成为热源，因此 I2C 上拉应放在主板一侧，只让细走线跨过热岛连接颈。

100 nF 旁路电容仍要靠近电源脚和地脚。该器件体积小、热功率低，可以保留在传感器附近。大阻值网络、指示器件和电源滤波器件应远离热岛。

开槽只能削弱板内传导，无法阻止热辐射和热空气流动。若发热处理器正对传感器，应调整位置、增加合适的内部隔热结构，或让被测空气先经过传感器再经过热源。

通过转换周期控制自热

TMP117 在 1 Hz、无平均的转换周期下典型电流为 3.5 µA。单次转换的典型时间为 15.5 ms，八次平均会让转换器连续工作约 124 ms。平均次数越多，活动时间和平均功耗越大。

TI 在一个小型测试板的静止空气实验中记录到，3.3 V 连续转换且没有待机间隔时，自热约为 40 m°C。这个结果不能直接套用到所有 PCB，但它说明在 ±0.1°C 目标下，几十毫摄氏度已经需要纳入误差预算。

若应用允许，可使用单次转换，或在连续模式中保留足够待机时间。八次平均配合一秒转换周期常能兼顾噪声与散热。较低的合规电源电压、较大的上拉阻值和较少的总线活动也有助于减小自热。

平均只能降低码值噪声

器件支持 1、8、32 或 64 次平均。温度变化缓慢且电源稳定时，平均可减少读数跳动。TI 的特性说明显示，无平均时重复性约为 ±3 个码，八次平均时约为 ±1 个码。

平均无法修复错误的热耦合。若传感器被稳压器加热，平均只会让偏高的结果显得更稳定。应先让封装温度真实跟随目标，再根据显示、记录或控制需求选择平均次数。

温度记录器通常可以测一次后进入关断，控制系统则可能需要更短周期。转换模式、周期和平均次数都应写入测量规范，并在整机条件下验证。

正确解析 16 位温度结果

温度寄存器采用 16 位有符号二进制补码，每个码为 0.0078125°C。固件应先把高字节与低字节组合成有符号 16 位整数，再乘以比例系数。若先按无符号数处理，负温度会出现严重错误。

复位后，在第一次转换及所设平均过程完成之前，温度寄存器会显示保留值 -256°C。程序应检查数据就绪状态或等待完整转换时间，不能把该保留值当成真实温度。

单元测试应覆盖正温、接近零点、负温以及 0x0000 与 0xFFFF 的边界。验证阶段保留原始码值，便于发现字节顺序和符号扩展问题。

利用 ADD0 设置四个地址

ADD0 可分别连接地、电源、SDA 或 SCL，对应 0x48 至 0x4B 四个地址。同一总线上最多可布置四个 TMP117，用于测量四个不同位置。连接关系应在原理图和装配资料中明确标注。

SDA 与 ALERT 为开漏接口；若主控的 SCL 也是开漏输出，时钟线同样需要上拉。TI 典型连接使用 5 kΩ，并在自热敏感场景中建议避免低于 2 kΩ。最终阻值要根据总线电容、上升时间、逻辑电平和下拉电流计算。

接口支持 1 kHz 至 400 kHz。较快传输可以缩短数字输入和上拉网络的活动时间，但仍要满足总线长度与电容限制。走线应避开开关电源节点，并减少精密测量期间的无关通信。

把 ALERT 设计成可验证的系统功能

高低温门限可通过 ALERT 触发主控中断或 SMBus 告警。固件要明确该引脚当前表示温度门限、数据就绪还是其他配置状态，并验证极性、触发条件和清除行为。

用于热保护时，需要把传感器位置、热响应、转换延迟、平均延迟、主控中断延迟和执行器响应一起计算。稳态准确度高并不代表能及时捕捉快速升温。

若不使用 ALERT，TI 允许其悬空或接地。量产电路应给每个引脚明确状态，避免留下受泄漏和噪声影响的无定义测试点。

谨慎使用 EEPROM

TMP117 提供 48 位通用 EEPROM，并可保存部分配置。EEPROM 默认锁定，写入时需要执行解锁、写数据、等待完成、复位加载和回读验证等步骤。

TI 在部分通用 EEPROM 位置写入唯一标识，用于支持 NIST 可追溯性。覆盖这些位置会失去该用途，因此分配存储空间前应先确认整机是否需要保留出厂追溯信息。

EEPROM 不适合频繁变化的运行日志。生产测试程序应在复位后回读所有已写内容，现场固件则应区分临时寄存器设置与真正的非易失写入。

系统偏移应在整机上校准

数字偏移寄存器可修正可重复的系统偏差。应在 PCB、外壳、接触材料和气流方案确定后，与合适的校准参考进行比较。开放台架上得到的偏移值，装入外壳后可能不再成立。

需要在多个温度点测量。若误差基本平行，可以使用常量偏移；若误差随温度显著变化，或稳定时间过长，应优先检查热路径、接触方式和测试方法。

校准记录应包含参考仪器、接触或浸入方式、气流、稳定时间、电源电压、转换模式、平均次数和外壳状态，便于比较后续板卡版本。

装配过程也会影响准确度

在 ±0.1°C 级别，封装应力不可忽略。应遵循推荐焊盘和回流曲线，控制板弯，并让 WSON 远离分板槽、固定柱和频繁插拔连接器。热岛连接颈较窄，还要检查拼板支撑与分板方向。

三防漆、胶黏剂和底部填充会改变热质量、对流和封装应力，未经测试不应直接加入。手工返修也可能改变焊点和热耦合，返修件需要与正常回流样品对比。

分别验证响应时间与稳态误差

响应时间描述整套传感器结构接近新温度的速度，稳态误差描述充分稳定后的剩余偏差。薄而隔离的热岛对空气响应快，却可能更容易受到辐射影响；大面积接触铜箔更贴近金属表面，但对空气变化通常更慢。

测试应复现实际使用条件。表面测量要控制接触压力和导热材料，空气测量要控制流速、方向和附近壁面温度。参考温度和 TMP117 原始数据应使用统一时间基准。

还要在测试中改变电源状态和数字总线活动，比较连续转换、单次转换及不同平均设置。最终配置必须同时满足响应速度和自热限制。

完成可量化的验收

先确认温度范围并采用对应的最大器件误差，再加入参考不确定度、热偏差、自热、机械应力、电源影响、重复性和校准残差。应标明哪些项目来自规格，哪些项目来自整机实测。

逐层复核热岛、铜桥、附近热源、WSON 热焊盘处理、旁路电容、上拉位置、地址连接和总线时序。随后验证原始码解析、首次结果、告警、功耗模式与 EEPROM 行为。

验收资料应同时包含稳态准确度、响应时间、电源状态影响和样品间差异。这样才能让 TMP117 在整机上提供高准确度温度，而不是对错误的热位置给出一个非常精细的数字。