KR101399047B1 - 온도 센서 바우 보상 - Google Patents
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Abstract
고체 온도 센서의 출력은 기준 전압에 비례하는 전압비이다. 고체 온도 센서는 그 감지 및 기준 회로들에 다이오드들을 사용하였지만, 이들 다이오드들은 온도 센서 출력 응답이 이상적인 직선과의 편차를 야기하는 이차적인 행동을 나타낸다. 이 출력 응답 편차는 포물선 모양의 특성 오차 곡선을 갖는다. 온도 센서 출력 응답 편차와 반대로 변하는 오프셋이 결정되고 아날로그-디지털 변환기로 온도가 디지털 값으로 변환된 후에 오프셋 보상으로서 디지털 영역에 적용될 수 있다. 이 오프셋 보상을 아날로그-디지털 변환기의 디지털 출력에 부가함으로써, 측정된 온도들의 디지털 표현은 보다 선형적으로 트랙킹할 것이다.
Description
본 발명은 고체 온도 센서들에 관한 것으로, 특히 고체 온도 센서 다이오드들의 비선형 특성에 의한 고체 온도 센서들에서의 오차를 보상하기 위한 방법에 관한 것이다.
모놀리식 디지털 온도 센서들은 고체 온도 센서들의 감지 및 기준 요소들로서 다이오드들을 이용한다. 감지 및 기준 회로의 일부로서 이들 고체 온도 센서들에 사용되는 다이오드들은 온도에 역비례하는 전압을 갖는다. 하지만, 이 관계가 이상적인 직선과의 편차를 야기하는 이차 조건은 센서 출력에 오차를 도입한다. 이것이 온도 출력에 있어 중요한 오차원이며 센서의 정밀도를 제한한다.
다이오드 전압 곡선으로 인한 문제를 해결하는데 사용되는 대부분의 해결방식들은 온도 센서의 아날로그 구역에서 보상을 수행하는 것이었다. 선형화를 위해 사용되는 다른 접근방식은 전달 곡선의 여러 점들에서 여러 보정들이 이루어질 수 있도록 룩업 테이블을 갖는 것이다. 하지만, 이 방식은 불과 몇 개의 보정점들만으로 이행될 때는 부드럽지 않은 보정을 초래한다. 보다 많은 룩업 포인트들이 추가되면, 필요한 회로량, 예를 들어 룩업 테이블 사이즈가 커진다.
고체 온도 센서의 측정 오차를 줄이기 위해 온도 범위에 걸쳐서 다이오드들의 비선형 특성(다이오드 전압 곡률)을 보상하기 위한 방법이 요구된다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 고체 온도 센서의 온도 측정 오차를 보정하기 위한 방법은, (a) 각각이 상기 고체 온도 센서가 측정할 수 있는 각 온도를 나타내는 복수의 온도 출력값들을 산출할 수 있는 고체 온도 센서를 제공하는 단계; (b) 상기 복수의 온도 출력값들의 오차 곡선으로부터 정점값을 판정하는 단계; (c) 상기 복수의 온도 출력값들 중 현재 측정된 값에서 상기 정점값을 감산하는 단계; (d) 상기 단계(c)의 결과를 제곱하는 단계; (e) 상기 단계(d)의 결과를, 보정된 값을 산출하기 위해 선택된 스케일러 값으로 제산하는 단계; 및 (f) 보정된 온도 출력값을 산출하기 위해 상기 단계(e)의 결과를 상기 복수의 온도 출력값들 중 현재 측정된 값에 가산하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 고체 온도 센서의 온도 측정 오차를 보정하기 위한 시스템은, 각각이 상기 고체 온도 센서가 측정할 수 있는 각 온도를 나타내는 복수의 온도 출력값들을 산출할 수 있는 고체 온도 센서부; 상기 복수의 온도 출력값들 중 현재 측정된 값에서 정점값을 감산하는 감산 기능부; 상기 감산 기능부로부터의 출력을 제곱하는 제곱 기능부; 상기 제곱 기능부로부터의 출력을 스케일러 값으로 나누는 제산 기능부; 및 상기 제산 기능부 출력에 상기 복수의 온도 출력값들 중 현재 측정된 값을 가산하는 가산 기능부를 포함하고, 상기 가산 기능부의 출력은 상기 복수의 온도 출력값들 중 현재 측정된 값의 보정된 온도 출력값을 포함한다.
첨부한 도면과 관련된 다음의 설명을 참조하면 본 발명을 보다 완전히 이해할 수 있다.
도 1은 서로다른 전류 밀도로 동작하는 두 반도체 다이오드 사이의 전압차 ΔVbe를 온도 함수로서 나타낸 그래프이다.
도 2(a)는 온도와 역으로 변하는 다이오드 전압 Vbe를 나타낸 그래프이다.
도 2(b)는 다이오드 전압 Vbe의 곡선을 Vbe와 이상적인 직선과의 편차를 나타낸 온도 함수로서의 그래프이다.
도 3은 온도 함수로서 밴드갭 기준 전압을 나타낸 그래프이다.
도 4(a)는 온도 센서의 온도 출력을 나타낸 그래프이다.
도 4(b)는 이상적인 직선과의 온도 출력 편차를 나타낸 그래프이다.
도 5(a)는 온도 출력 오차를 나타낸 그래프이다.
도 5(b)는 계산된 온도출력 보정을 나타낸 그래프이다.
도 5(c)는 보정이 다시 온도 출력에 부가된 후의 온도 오차를 나타낸 그래프이다.
도 6(a)는 본 발명의 특정 실시예에 따른 온도 출력 오차를 보정하기 위한 개략적인 기능 블록도이다.
도 6(b)는 도 6(a)에 예시한 온도 출력 오차를 보정하는 동작을 수행하기 위한 시스템의 개략적인 블록도이다.
본 발명은 다양한 수정물 및 대체 형태가 가능하지만, 본 발명의 특정 실시 예들이 도면에 도시되고 여기에 상세히 설명되었다. 하지만, 특정 실시예들은 본 발명을 여기에 개시된 특정 형태로 한정하는 것이 아니며, 본 발명은 첨부한 청구범위에 의해 한정된 것과 같은 모든 수정물 및 등가물을 포함하려 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 구성요소들은 동일한 부호로 나타내고 유사한 구성요소는 아래첨자를 달리하여 동일한 부호로 나타낸다.
도 1은 서로다른 전류 밀도로 동작하는 두 반도체 다이오드 사이의 전압차 ΔVbe를 온도 함수로서 나타낸 그래프이다. 일반적으로 온도 센서는 다음과 같은 전달 함수를 갖는다.
Temperature = m * Vsens/Vref + n * Vref (1)
여기서, Vsens는 온도에 직접 비례하는 변수이고 Vref는 온도 불변 상수이다. 계수 m 및 n은 특정 용도를 위해 원하는 감도(이득) 및 오프셋을 갖도록 선택된다. 고체 디지털 온도 센서에서, 상기 방정식(1)에서의 조건은 다음과 같이 충족될 수 있다.
Tempout = m * ΔVbe/Vbandgap + n*Vbandgap (2)
여기서, ΔVbe는 서로 다른 전류밀도에서 동작되는 두 다이오드 사이의 전압차이다. 이 변수는 도 1의 그래프에 예시한 바와 같이 온도에 따라 선형적으로 변한다.
기준 Vbandgap은 다음과 같이 충족될 수 있다.
Vbandgap = Vbe + k * ΔVbe (3)
여기서, Vbe는 도 2(a)에 예시한 바와 같이 온도에 따라 역으로 변하는 다이오드 전압이고, k는 스케일링 상수이다.
상기 방정식(3)에서 온도 계수들은 계수 k의 적절한 선택으로 두 조건 Vbe 및 ΔVbe에 반대이기 때문에, Vbandgap의 일차 행동은 실질적으로 온도 불변이 될 수 있다. 하지만, ΔVbe가 선형이더라도, Vbe는 온도함수로서 곡률을 갖는다. 도 2(b)는 다이오드 전압 Vbe의 곡선을 Vbe와 이상적인 직선과의 편차를 나타낸 온도 함수로서의 그래프이다. 이는 유사한 곡률을 가지며 바우로서 참조될 수 있는 밴드갭 전압을 야기한다. 도 3은 온도 함수로서 밴드갭 기준 전압을 나타낸 그래프이다.
방정식(2)의 충족이 온도위에 정해지면, 그 결과는 도 4(a) 및 4(b)에 예시한 것과 실질적으로 유사하다. 도 4(a)는 온도 센서의 온도 출력을 나타낸 그래프이고, 도 4(b)는 이상적인 직선과의 온도 출력 편차를 나타낸 그래프이다.
이 행동은 사실상 변함이 없어 이상적인 직선과의 온도 출력 편차를 보상하는데 사용될 수 있다. 이 오차의 실질적인 보정은 다음에 의해 결정될 수 있다.
Correction = (Tempout - Vertex)2 / Scaler (4)
여기서, Vertex는 오차 곡선의 정점(피크)에서 일어나는 온도이다. 이 보정의 크기는 Tempout이 Vertex로부터 떨어진 만큼 증가한다. Scaler는 곡선의 종점에서 정확한 크기를 갖도록 선택될 수 있다. 그리고 나서, 이 보정은 보다 선형적인 출력을 얻기 위해 Tempout(온도 센서 아날로그-디지털 변환기로부터의 출력)에 부가될 수 있다.
따라서, CorrectedTempout은 다음에 의해 결정될 수 있다.
CorrectedTempout = m * Vbe/Vbandgap + n * Vbandgap + Correction (5)
본 발명의 교시에 따르면, 방정식(4) 및 (5)에 포함된 산술 연산은 디지털 영역에서 충족될 수 있고 고체 온도 센서의 아날로그 회로에 어떠한 요소도 변경 및/또는 부가하지 않고 수행될 수 있다.
도 5(a)는 온도 출력 오차를 나타낸 그래프이고, 도 5(b)는 계산된 온도출력 보정을 나타낸 그래프이고, 도 5(c)는 도 5(b)의 보정이 도 5(a)의 온도 출력에 부가된 후의 온도 오차를 나타낸 그래프이다. 본 발명의 교시에 따르면, 최종 오차 분포를 중심에 배치하도록 오프셋 보정이 수행될 수 있다.
도 6(a)는 본 발명의 특정 실시예에 따른 온도 출력 오차를 보정하기 위한 개략적인 기능 블록도이다. 참조부호(600)로 나타낸 온도 출력 오차 보정 기능부는, 온도 센서(602)로부터의 온도 측정을 나타내는 출력(604)을 수신하는 입력, 상기에 보다 상세히 설명된 온도 Vertex값에 연결된 입력(608)을 갖는 사인 인버터 기능부(606), 온도 센서(602)의 출력(604)에 연결된 제1 입력(612)과 사인 인버터 기능부(606)의 출력에 연결된 제2 입력을 갖는 가산기 기능부(610), 가산기 기능부 (610)의 출력(618)에 연결되고 그 출력에서 그 입력의 제곱을 산출하는 제곱 기능부(616), 제곱 기능부(616)의 출력에 연결된 분자 입력(622)과 상기에 보다 상세히 정의된 Scaler값에 연결된 제수 입력(624)을 갖는 디바이더 기능부(620), 및 온도 센서(602)의 디지털 출력(604)에 연결된 제1 입력부(628) 및 디바이더 기능부(620)의 출력에 연결된 제2 입력부(630)를 갖는 가산기 기능부(626)를 포함한다. 가산기 기능부(626)의 출력(632)은 상기 방정식(5)에 보다 완전히 정의된 CorrectedTempout을 산출한다.
도 6(b)는 도 6(a)에 예시한 온도 출력 오차를 보정하는 동작을 수행하기 위한 시스템의 개략적인 블록도이다. 온도 센서(602)로부터의 출력은 온도 센서(602) 온도 측정값을 디지털 값으로 변환하는 아날로그-디지털 변환기(640)에 연결된다. 아날로그-디지털 변환기(640)의 출력으로부터의 디지털 온도 측정값은 디지털 프로세서(642)의 디지털 입력(들)부에 연결된다. 디지털 온도 측정값들은 직렬 또는 병렬 디지털 정보일 수 있다. 디지털 프로세서(642)는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, ASIC(application specific integrated circuit), PLA(programmable logic array), FPGA(field-programmable gate array), DSP(digital signal processor) 등일 수 있다. 디지털 프로세서(642)는 소프트웨어 프로그램(도시하지 않음)의 제어하에서 동작함으로써 도 6(a)에 예시한 상술한 기능들을 수행할 수 있다. 아날로그-디지털 변환기(640) 및 디지털 프로세서(642)가 하나의 집적회로 디바이스이거나, 또는 아날로그-디지털 변환기(640)가 온도 센서(602)의 일부일 수 있다.
디지털 프로세서(예를 들면, 마이크로컨트롤러)에서, 및/또는 (전적으로 또는 부분적으로) 디지털 로직으로, 및/또는 아날로그 기능들을 갖는 아날로그 영역에서, 또는 그 결합에서 실행되는 온도 보정 프로그램의 소프트웨어 단계들에서와 같이 디지털 영역에서 상술한 기능들이 수행될 수 있다는 것은 본 발명의 범위내에 있다.
본 발명이 특정 실시예를 참조하여 특별히 도시되고 설명되었지만, 이러한 참조는 본 발명을 한정하지 않고 그러한 한정을 암시하지도 않는다. 본 발명은 이 기술분야의 당업자에 의해 형태와 기능에 있어 수정물, 대체물, 및 등가물이 고려될 수 있다. 본 발명의 도시되고 설명된 실시예들은 단지 예로서, 본 발명의 범위를 한정하지 않는다.
Claims (9)
- 고체 온도 센서의 온도 측정 오차를 보정하기 위한 방법으로서,(a) 각각이 상기 고체 온도 센서가 측정할 수 있는 각 온도를 나타내는 복수의 온도 출력값들을 산출할 수 있는 고체 온도 센서를 제공하는 단계;(b) 상기 복수의 온도 출력값들의 오차 곡선으로부터 정점값을 판정하는 단계;(c) 상기 복수의 온도 출력값들 중 현재 측정된 값에서 상기 정점값을 감산하는 단계;(d) 상기 단계(c)의 결과를 제곱하는 단계;(e) 상기 단계(d)의 결과를, 보정된 값을 산출하기 위해 선택된 스케일러 값으로 제산하는 단계; 및(f) 보정된 온도 출력값을 산출하기 위해 상기 단계(e)의 결과를 상기 복수의 온도 출력값들 중 현재 측정된 값에 가산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 온도 센서의 온도 측정 오차 보정 방법.
- 제1항에 있어서,상기 복수의 온도 출력값들은 상기 고체 온도 센서가 측정할 수 있는 온도들의 디지털 표현들인 것을 특징으로 하는 고체 온도 센서의 온도 측정 오차 보정 방법.
- 제2항에 있어서,상기 단계들(b)-(f)은 디지털 프로세서에서 실행되는 소프트웨어 프로그램으로 수행되는 것을 특징으로 하는 고체 온도 센서의 온도 측정 오차 보정 방법.
- 고체 온도 센서의 온도 측정 오차를 보정하기 위한 시스템으로서,각각이 상기 고체 온도 센서가 측정할 수 있는 각 온도를 나타내는 복수의 온도 출력값들을 산출할 수 있는 고체 온도 센서부;상기 복수의 온도 출력값들 중 현재 측정된 값에서 정점값을 감산하는 감산 기능부;상기 감산 기능부로부터의 출력을 제곱하는 제곱 기능부;상기 제곱 기능부로부터의 출력을 스케일러 값으로 나누는 제산 기능부; 및상기 제산 기능부 출력에 상기 복수의 온도 출력값들 중 현재 측정된 값을 가산하는 가산 기능부를 포함하고,상기 가산 기능부의 출력은 상기 복수의 온도 출력값들 중 현재 측정된 값의 보정된 온도 출력값을 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 온도 센서의 온도 측정 오차 보정 시스템.
- 제4항에 있어서,상기 고체 온도 센서에 연결되고 상기 복수의 온도 출력값들 중 현재 측정된 값의 디지털 표현을 산출하는 아날로그-디지털 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고체 온도 센서의 온도 측정 오차 보정 시스템.
- 제5항에 있어서,상기 감산, 제곱, 제산, 및 가산 기능들은 상기 아날로그-디지털 변환기에 연결된 디지털 프로세서로 수행되는 것을 특징으로 하는 고체 온도 센서의 온도 측정 오차 보정 시스템.
- 제6항에 있어서,상기 디지털 프로세서는 소프트웨어 프로그램의 제어하에서 상기 감산, 제곱, 제산 및 가산 기능들을 수행하는 것을 특징으로 하는 고체 온도 센서의 온도 측정 오차 보정 시스템.
- 제6항에 있어서,상기 디지털 프로세서는 하드웨어 로직으로 상기 감산, 제곱, 제산 및 가산 기능들을 수행하는 것을 특징으로 하는 고체 온도 센서의 온도 측정 오차 보정 시스템.
- 제6항에 있어서,상기 디지털 프로세서는 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, ASIC(application specific integrated circuit), PLA(programmable logic array), FPGA(field-programmable gate array), 및 DSP(digital signal processor)로 이루어진 그룹에서 선택된 것을 특징으로 하는 고체 온도 센서의 온도 측정 오차 보정 시스템.
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