이 글에서는 특정 애플리케이션에 적합한 온도 센서 선택 방법에 대해 알아본다. 먼저, 다양한 유형의 온도 센서에 대한 소개와 더불어 각 센서의 장단점을 살펴볼 것이다. 그리고 더 많은 온도 센서들을 개발하기 위해 최첨단 발전을 주도하고 있는 원격/로컬(remote/local) 센싱의 최신 발전상들을 소개한다.



머리말

온도 센서는 소비가전 제품, 환경 모니터링, 산업 공정 등을 포함한 다양한 애플리케이션과 활용에 있어서 필수적이다. 정밀하고 정확한 온도 측정을 보장하기 위해서는 올바른 온도 센서를 선택하는 것이 매우 중요하다. 시장에는 다양한 유형의 온도 센서들이 존재하기 때문에 가장 적합한 제품을 선택하기가 어려울 수 있다. 이 글에서는 특정 애플리케이션에 가장 적합한 온도 센서를 선택하는 데 도움이 되는 몇 가지 지침들을 소개할 것이다.

애플리케이션

애플리케이션마다 요구하는 온도 범위가 다양하기 때문에, 온도 범위를 명확히 지정하는 것은 매우 중요하다. 온도 범위, 정확도, 전력 소비, 크기 제한, 통신 프로토콜(SMBus, SPI, I²C, 1-Wire® 등) 및 예산을 모두 고려해야 한다. 이들 각각의 요구 사항은 최적의 디바이스를 선택하는 데 있어서 고려해야 할 요건의 범위를 좁히는 데 도움이 된다.

온도 센서의 유형

기술적으로, 가장 선호되는 온도 센서는 다음과 같은 4가지 유형이다:

저항 온도 감지기(RTD): RTD(resistance temperature detector)는 중간 온도 범위(-200℃ ~ +850°C)에서 우수한 정확도와 안정성을 제공한다. 만약 정밀도를 우선시해야 한다면 RTD가 올바른 선택이다. 

열전대(Thermocouple): 광범위한 온도 측정이 필요한 경우에는 일반적으로 열전대가 사용된다. 높은 온도 범위(-270°C ~ +1800°C)에서의 정확도는 낮지만, 고온 상황에 적합한 선택이다.

서미스터(Thermistor): 서미스터는 비용 효율적이며 일반적으로 소비가전 제품에 사용된다. 제한된 온도 범위(-270℃ ~ +1800℃)에서 비교적 좋은 정확도를 제공한다.

다이오드 기반 센서(Diode-based sensor): 다이오드 기반 센서는 온도에 대한 다이오드 전압 강하를 활용한다. 이 센서는 비용 효율적이며 제한된 온도 측정 범위(-55°C ~ +150°C)에서 빠른 응답 시간을 갖고 있다. 그리고 다른 3가지 유형의 온도 센서들에 비해 크기가 작다.

다이오드 기반 온도 센서는 마이크로컨트롤러(MCU), ADC 및 ASIC과 쉽게 인터페이스 할 수 있다. 소비가전 제품, 산업 자동화, 데이터센터(저장 시스템), 자동차 및 기타 다양한 전자 애플리케이션에 널리 사용된다. 

통신

온도 센서의 출력은 아날로그 전압 또는 디지털 신호일 수 있다. 최근 온도 센서는 SMBus, SPI, I²C 및 1-Wire 인터페이스와 같은 디지털 통신을 사용하여 마이크로컨트롤러 및 기타 디지털 장치와 간단한 통신을 제공한다. 1-Wire 인터페이스는 여러 센서를 단일 데이터 라인에 연결할 수 있도록 한다.



정확도

정확한 온도 센서를 선택하는 것은 필수적이며, 특히 정확한 온도 측정이 필요한 애플리케이션에서는 더욱 그렇다. 이를 달성하려면 RTD 또는 보정 기능이 있는 다이오드 기반 온도 센서를 선택해야 한다. 표 1은 통신 인터페이스 및 패키지가 포함된 가장 정확한 ADI 온도 센서의 최신 목록을 나타낸 것이다. 


표 1. 최신 온도 센서의 종류별 정확도

정확도	±1°C	±0.5°C	±0.25°C	±0.1°C
			ADT7320 SPI 16 핀, 4 mm × 4 mm LFCSP
	MAX31825 1-Wire 6 볼 WLP	ADT7410 I2C 8 핀 SOIC	ADT7420 I2C 16 핀, 4 mm × 4 mm LFCSP
	MAX31875 I2C/SMBus 4 볼 WLP	DS18B20 1-Wire TO-92, SOIC, μSOP	MAX31888 1-Wire 2 mm × 2 mm, μDFN	LTC2983/ LTC2984 Multisensor SPI LQFP
	MAX31827/ MAX31828/ MAX31829 I2C/SMBus 6 볼 WLP	MAX31826 1-Wire 2 mm × 2 mm TDFN	MAX31889 I2C 2 mm × 2 mm, μDFN	ADT7422 I2C 16 핀, 4 mm × 4 mm LFCSP

MAX31888은 매우 정확한 온도 센서의 한 가지 사례다(그림 1 참조). 이 센서는 정밀 온도 모니터링을 위해 –20℃ ~ +105℃의 온도 범위에서 ±0.25℃의 탁월한 정확도를 보이는 1-Wire 고정밀 저전력 디지털 온도 센서다.

이 IC는 측정 중 68µA의 동작 전류를 소비하며, 16비트 분해능(0.005°C)을 가지고 있다. 이 센서는 통신을 위해 단 하나의 데이터 라인(그리고 접지 기준점)만 필요로 하는 1-Wire 버스를 통해 마이크로컨트롤러와 통신을 한다. 또한 이 센서는 기생 전력을 통해 데이터 라인에서 직접 전력을 얻을 수 있어 외부 전원 공급 장치가 필요 없다. MAX31888은 6핀 μDFN 패키지로 제공된다. 전원 공급 전압 범위는 외부 전원 공급 장치를 사용했을 때 1.7V에서 3.6V까지다. 동작 온도 범위는 –40°C ~ +125°C까지다

전력 소비 및 크기

웨어러블과 같이 배터리로 동작하는 장치의 경우, 전력 소비량과 장치 크기(손에 가지고 다닐 정도)가 최저 공급 전류와 최소 크기의 디바이스를 선택함에 있어서 가장 중요한 요소들이다. 저전력 센서들은 충전에 필요한 시간을 줄이고 배터리 수명도 연장하면서 정확도를 유지한다. 그림 2는 최신 저전력 온도 센서와 정확도를 비교한 것이다.

 

MAX31875는 I²C/SMBus 인터페이스를 갖춘 ±1℃ 정확도의 로컬 온도 센서다. 이 센서는 평균 10μA 미만(<10μA)의 전원 공급 전류를 사용한다. 일반적인 애플리케이션 회로는 그림 3과 같다. 초소형 패키지 크기, 우수한 온도 측정 정확도, 매우 낮은 전력 소모가 특징인 이 제품은 다양한 기기, 특히 배터리로 동작하는 기기 및 웨어러블 기기에 이상적이다.

I²C/SMBus 호환 직렬 인터페이스는 표준 방식의 바이트 데이트 읽기 및 쓰기, 송신 및 수신 명령을 받아 온도 데이터를 읽고 센서의 동작을 설정한다. MAX31875는 4볼 웨이퍼 레벨 패키지(4-ball WLP)로 제공되며, -50°C ~ +150°C 온도 범위에서 작동한다.

 

CPU, FPGA, ASIC 등 (온보드 열 다이오드 포함)

CPU, FPGA, ASIC과 같은 고성능 IC를 보호하기 위해 반도체 제조회사들은 온도 감지용 다이오드가 연결된 양극성(bipolar) 트랜지스터를 포함시킨다. 열 감지 트랜지스터가 IC 다이(Die) 위에 올려지기 때문에 다른 감지 기술들보다 측정 정확도가 훨씬 높다.


ADI는 열 다이오드의 온도를 정확하게 감지하고 이를 디지털 형태로 변환하도록 특별히 고안된 몇 가지 IC들을 제공한다. 이러한 IC들 중 일부는 단 하나의 열 다이오드만 측정하지만, 다른 디바이스들은 최대 4개 또는 8개까지 측정할 수 있다. 그림 4는 MAX6654, MAX6655/MAX6656, MAX31730, MAX31732, MAX6581 등 이러한 유형의 몇 가지 IC를 보여준다.

 

적절한 주의를 기울인 설계와 내부 및 외부 필터링을 지원하는 원격 다이오드 센서는 디스플레이, 클럭 발생기, 메모리 버스, PCI 버스와 같이 전기적 잡음이 많은 환경에서 폭넓게 사용될 수 있다. 

그림 5는 원격 다이오드 센서를 예시한 것이다. MAX31732는 자체 온도와 최대 4개의 외부 다이오드 연결 트랜지스터의 온도를 모니터링하는 최신 다중 채널 온도 센서다. 저항 제거(resistance cancellation) 기능이 회로 기판 트레이스와 외부 열 다이오드 간의 높은 직렬 저항을 보상하는 한편, 베타 보정은 낮은 베타 감지 트랜지스터로 인한 온도 측정 오류를 보정한다. 

이 디바이스는 오픈 드레인(open-drain) 방식으로 설계된 두 개의 알람 출력 핀(ALARM1 과 ALARM 2)을 가지고 있으며, 알람(ALARM)이 활성화되었을 때 낮은 신호를 출력하는 것으로써 주요 온도 임계치(초과/미달) 수준을 각각 모니터링 한다. 비휘발성 메모리(NVM)는 전원이 켜지는 동안에 소프트웨어/펌웨어 개입 없이 센서가 설정 레지스터를 프로그래밍할 수 있도록 한다. 2-와이어 직렬 인터페이스는 온도 데이터를 읽고 온도 임계값을 프로그래밍하기 위해 SMBus 프로토콜(바이트 데이터의 쓰기 및 읽기, 바이트 데이터의 송신 및 수신)을 허용한다.

 

결 론 

올바른 온도 센서를 선택하려면 애플리케이션의 요구 사항, 정확도, 주변 조건, 출력 인터페이스, 소비 전력 및 비용 등 다양한 요소를 신중하게 고려해야 한다. 이러한 요소를 이해하고 사용 가능한 옵션을 평가하면 특정 요구 사항을 충족하고 애플리케이션에서 정확하고 신뢰할 수 있는 온도 측정 센서를 선택할 수 있다. 올바른 온도 센서를 선택하는 데 미리 시간과 노력을 투자하면 장기적으로 성능, 효율, 비용 효율성을 향상시킬 수 있다.

실리콘 온도 센서는 크게 발전하여 높은 정밀도를 가능하게 할 정도로 정확해졌다. 뛰어난 정확도를 얻기 위해, IC 설계 엔지니어들은 정확한 기준에 따른 미세 조정 작업을 수행하는 보정 트리밍(calibrated trimming)에 많은 노력을 기울여야 한다.


저자 소개

메흐다드 페이반(Mehrdad Peyvan)은 1995년에 아나로그디바이스(Analog Devices)에 입사한 이후 지금까지 다양한 직책을 담당해 왔다. 현재는 캘리포니아 산호세에서 제품 애플리케이션의 온도 센서와 팬 드라이버를 담당하고 있다. 전자공학 석사 학위를 취득했다.