온도는 전자 시스템에서 측정되는 가장 일반적인 환경 측정 기준 중 하나로, 현재 많은 센서 종류들이 임베디드 시스템 설계자들의 다양한 애플리케이션 요건을 충족시킬 수 있도록 제공되고 있다. 그러나 설계 사양에 맞춰 전체 센서 정확도를 확실하게 하려면 온도 센서 선택에 주의를 기울여야 한다. 여기서는 CMOS 반도체 온도 센서에서 정확도를 보장하는 데 필요한 기본적인 고려 사항에 대해 살펴본다.
다양한 온도 센서
표 1. 온도 감지 기능이 필요한 애플리케이션에 사용되는 여러 가지 센서
온도 감지 기능이 필요한 애플리케이션은 일반적으로 표 1에 나타난 센서들 중 한가지를 사용한다.
정확도가 ±2℃∼±3℃인 기본 온도 감지를 위해, 저렴한 비용과 최소의 BOM이 특징인 서미스터가 가장 널리 쓰이고 있다. 그러나 MCU가 사용되는 애플리케이션에서 ADC 입력을 사용할 수 없을 경우, 반도체 센서가 많이 이용되고 있다. ±2℃ 이상의 정확도를 비롯해 저전력 소모 및 고해상도 측정이 요구되는 설계일 때, 반도체 센서는 －40∼＋125℃의 센서 범위 내에서 가성비가 가장 좋다. RTD는 가격이 비싸고 정밀한 AD 변환을 유지하기 위해 외부 BOM 비용이 들지만, 정확도가 최대 ±0.2℃로 가장 높다.
실리콘랩스의 Si705x 센서 제품군과 같은 새로운 반도체 온도 센서는 RTD와 비교할 만한 수준의 정확도를 제공하며 외부 부품을 추가할 필요도 없어, 결국 시스템 레벨의 BOM 비용을 줄일 수 있다.
서모파일은 비접촉 방식의 이점을 제공하므로 보다 넓은 범위의 온도를 측정할 수 있다. 일반적인 서모파일 설계는 TO-5 금속 캔 패키징을 사용하는데, 이 경우 외부 앰프가 필요하거나 내장형 ASIC이 포함된다. 이 방식은 적절한 광기계 설계도 필요하므로 비용이 높고, 서모파일은 비접촉 방식이 훨씬 유리한 애플리케이션에만 제한적으로 사용된다. 서모파일은 귀 체온계나 고온에서 활용되는 산업 프로세스 제어 등과 같은 분야에 적합하다.
반도체 센서 정밀도에 영향을 미치는 요소
반도체 온도 센서는 온도를 결정하기 위해 일반적으로 다이오드의 포워드 전압 변동을 측정하는 밴드갭 요소를 사용한다.
이러한 요소들은 적정 수준의 정확도를 달성하기 위해 25℃의 단일 온도점으로 보정된다. 따라서 가장 높은 수준의 정확도는 보정점에서 달성되며, 그 이후 높거나 낮은 온도로 정확도가 떨어진다. 폭넓은 온도 범위에서 더 높은 정확도를 달성하기 위해, 추가적인 보정점 또는 향상된 신호 처리 기법을 사용할 수 있다.
그림 1. 반도체 센서를 위한 일반적인 최대 온도 정확도 사례
반도체 온도 센서 제조업체들은 그림 1과 같이 일정한 온도 범위 내에서 일반적인 최대 온도 정확도를 규정한다. 일반적인 값은 이상적인 조건에서 일부 디바이스에 적합한 정확도 정보를 제공할 수 있는 반면, 개발자는 여러 가지 디바이스에 대해 다양한 조건에서 정확도를 나타내는 최대값을 신뢰할 수 있다.
전원 공급 전압은 반도체 센서에서 온도 정확도에 영향을 줄 수 있다. 센서 디바이스는 더 낮은 수준의 내부 전압 레귤레이션을 제공하므로, 전원 공급장치가 명목 전압으로 벗어날 경우, 정밀도 수준은 더 낮아질 것이다. 대부분의 제조업체들은 데이터시트 사양에 이와 같은 내용을 포함하며 ±0.2℃/V∼±0.3℃/V의 범위에서 최대값을 제공할 것이다.
±0.5℃ 이상의 오차 범위에서 더 높은 정확도를 갖춘 디바이스인 경우, 2차적인 영향은 전반적인 정확도에 있어서 중요한 요소일 수 있다. 이러한 영향은 제조업체 데이터시트에서 전체 정확도 스펙과 별도로 규정되며 세심하게 고려돼야 한다. 이 경우, 다음과 같은 영향이 나타날 수 있다.
•반복성/노이즈 : 아날로그 프론트 엔드 및 ADC로 유도되는 오류이며, 오류 범위는 저성능 제품의 ±0.1℃에서 고성능 제품의 ±0.01℃에 이를 수 있다.
•드리프트/안정성 : 추가적인 오류가 센서 디바이스의 수명에 따라 발생할 수 있다.
높은 정확도를 위해 설계 시 고려해야 할 사항
PCB에서 정확도를 유지하려면 온도 센서를 적절히 배치해야 한다. 대기 온도를 측정할 경우, 센서는 가능한 한 열원에서 멀리 떨어져 있도록 배치돼야 한다. 이러한 열원들로는 MCU 전압, 전압 레귤레이터, 다른 전자 부품 등이 있다. 센서가 다른 열 생성 부품으로 동일한 PCB에 배치될 경우, PCB에서 커트아웃(Cutout)은 열 절연 기능을 지원할 수 있다. 또한 센서가 공기에 접촉할 수 있도록 적절한 환기 기능도 제공되어야 한다.
PCB 부품의 온도를 측정할 경우, 온도 센서는 중요한 부품에 가능한 가깝게 배치돼야 한다. GND 및 VDD 판은 부품에서 센서에 이르는 열 조건 경로를 제공하기 위해 사용된다.
온도 센서의 반응 시간은 PCB의 열용량, 실장되는 인클로저(Enclosure)와 긴밀한 관련이 있다. 예를 들어, 대형 PCB 중앙에 부착된 온도 센서는 대기 중 온도 변화에 매우 느리게 반응할 것이다. 따라서 반응 속도를 빠르게 하기 위해 소형 PCB에 온도 센서를 실장하거나, 시스템의 열용량의 나머지에 센서를 주입하는 커트아웃을 제공하는 것이다.
실리콘랩스의 Si705x 온도 센서
Si705x 디지털 온도 센서는 CMOS 반도체 센서의 좋은 사례이다. 이 디바이스는 전체 동작 전압과 온도 범위에서 정확한 감지 기능을 유지하도록 설계됐다. 또한 1.9V∼3.6V의 동작 전압 범위를 제공하므로 원격 감지 기능의 애플리케이션에서 배터리로 직접 연결할 수 있다. Si705x 디바이스는 그림 2와 같이 고온과 저온에서 눈에 띌 정도로 정확도가 높아지며, 노이즈 때문에 발생하는 정확도 손실을 최소화하고 전원 공급장치 전압에 대해 민감하지 않다.
그림 2. Si705x 센서 … 동작 전압 및 온도 범위에 대해 뛰어난 온도 감지 정확도 성능 제공
그리고 Si705x 센서 디바이스는 고감도 정확도를 제공하기 위해 BOM을 복잡하게 하지 않고도 비용 추가 없이 저항 온도 검출기에 대해 대안을 제시할 수 있다(그림 3).
그림 3. Si705x 디바이스와 같은 반도체 센서는 RTD 감지 대안 제품보다 우수한 정확도를 제공한다
1. 실시간 감지 애플리케이션에서 온도 정확도 필요 사례
•제약 및 식품 보관을 위한 콜드 체인 방식 : 세계보건기구(WHO)의 스펙 E06/TR07.1은 －5℃∼＋25℃ 범위 내에서 ±0.5℃의 온도 정확도를 요구하며, +20℃∼－5℃ 및 +25℃∼＋55℃ 범위에서 ±1℃의 온도 정확도를 요구한다.
•HVAC와 냉장 : 절대 정확도 외에 장기적인 안정성은 이러한 애플리케이션에서 중요한 요소이다. 그 이유는 이러한 장비들은 몇 년 동안 사용될 수 있기 때문이다. 예를 들어, 일년에 ±0.05℃로 규정된 디바이스를 10년 동안 사용하면 0.5℃로 정확도 성능이 떨어질 것이다.
•콜드 정션 보정 : 서모커플(Thermocouple)은 다양한 온도 범위를 측정하기 위해 사용되는 일반적인 디바이스이다. 그러나, 이러한 디바이스들은 정확한 온도 측정을 제공하기 위해 정확한 실내 온도 기준 측정을 요구한다.
•원격 센서 : 전원 공급장치 전압의 경우, 원격 무선 센서 노드를 비롯해 사물인터넷(IoT) 아키텍처에서 일반적으로 사용되는 휴대형 데이터 로거를 설계할 때 주의해야 한다. 적절한 전압 조절이 없으면, 배터리 전압 내 변동은 온도 정확도를 낮추는 요인이 될 수도 있다.
Bill Simcoe Silicon Labs
