來源：張國斌
2020年的春天，註定會成為這一代地球村村民記憶中難以忘記的一個時期。隨著新冠病毒在全球範圍內的肆虐，非接觸式的額溫槍/耳溫槍的需求一下子被引爆。在二月初，由於供需缺口巨大，原本一把幾十元的額溫槍被炒到500到600元人民幣的價格。巨大的利益也吸引了很多原本非醫用額溫槍和耳溫槍的電子行業生產商快速參與進來，從而帶動了額溫槍內部元器件價格的暴漲。熱電堆傳感器，作為額溫槍的核心器件，其價格也從不到10元人民幣一路上漲至110元以上。額溫槍相關產業，在這個特殊時期名副其實地成為暴利行業。
巨大的商業利益下，很多新進入這個市場的企業只進行了潦草地研發就開始生產和銷售。這些良莠不齊的產品進入市場後，暴露了大量的應用上的問題。尤其是銷往國外的很多產品，出現了很多不符合當地使用情況的問題，測溫結果完全無法達到醫用級要求精度，從而產生了被國外客戶要求退貨的情況。
如果我們把市場上各種不同的熱點堆傳感器的應用方案來整理一下，大致可以發現有這麼幾種典型類型，以下我們一一來做分析。
01
數字型輸出的熱電堆傳感器 + 低成本低功耗處理器方案
這個方案以Melexis的MLX90614和MLX90615這樣的數字輸出傳感器為代表。這兩個晶片的FOV視角不同，分別適用於額溫槍和耳溫槍。這種傳感器在出廠前已經做了預校準，方案商做基本配置和簡單出廠校準就能直接從傳感器中得到目標溫度值和環境溫度值。對方案商來講，幾乎不需要對傳感器的特性和接口電路有深入理解，屬於傻瓜式的應用。然而，其高昂的售價幾乎讓額溫槍方案商感覺無利可圖，而且由於產能問題導致市場上缺貨嚴重。對於有設計能力的客戶來講，一般出於成本和產能的考慮，並不會將其作為主流方案。
02
採用高精度自穩零運放 + 低成本低功耗處理器方案
此方案原本並不是醫用級額溫槍和耳溫槍的主流成熟方案，但在疫情開始時期，由於元器件缺貨加上國內幾個MCU方案商全力推進，該方案被很多新進入的客戶所採用和量產。而目前，這種方案暴露問題最多。在這裡，我們從熱電堆傳感器信號調理的需求入手，來分析一下該方案的問題。
下表是一個熱電堆傳感器典型輸出電壓。在環境溫度為25°C時，對於人體的目標溫度（35~42°C範圍內），其傳感器輸出電壓的絕對值在1mV上下。目標溫度每變化0.1°C，輸出電壓變化量基本上在8uV上下。
為了使熱電堆傳感器輸出可以被處理器內部的10位~12位單端輸入ADC所分辨，就必須對這個原始信號進行充分放大。下圖是採用分立運算放大器來進行信號放大並接口單端輸入ADC的典型電路（原圖摘自TE公司Application Note - 「THERMOPILE SENSOR FOR CONTACTLESS TEMPERATURE」）。
這個電路有以下幾個要求：
運放需要使用正向放大拓撲結構。原因是熱電堆傳感器本身內阻較高，所以需要傳感器接口電路必須是高阻輸入。而運放只有在正向放大電路的拓撲結構下（如使用儀表放大器，其輸入級可看作兩個正向放大運放）才能保證高阻輸入。
需要偏置到大於0V的正電壓。而對於熱電堆傳感器來講，當測量目標溫度小於環境溫度時，其輸出是小於零的負電壓。這就需要把熱電堆傳感器的輸出負偏置到一個大於零伏的正電壓，才能保證熱電堆的輸出信號上的電壓大於0V，並且可以被單極性供電的運放（正向放大拓撲）所接受。然而，由於處理器內部的ADC（尤其是低功耗+低成本的處理器），一般是單端輸入，範圍為0~VREF電壓的SAR型ADC，所以偏置電壓本身的穩定度就變得很重要。
運放自身的偏置（Offset）要很小，其全環境溫度測量範圍內的偏置溫漂需要<=1uV。原因是熱電堆傳感器對應目標溫度0.1°C的解析度其相應電壓變化量才幾個uV，運放自身偏置帶來的影響必須小於這個值。
1/f噪聲（0.1~10Hz等效輸入pk-pk噪聲）需要在1uV級別。熱電堆應用是近直流的應用，所以在傳感器後面的處理算法中幾乎每個客戶都會增加濾波降噪算法來減少噪聲。但是1/f噪聲頻率太低（接近直流），所以該噪聲很難用低通濾波器（LPF）和數字低通濾波器有效去除。運放自身等效輸入1/f噪聲必須控制在遠小於0.1°C對應電壓，所以需要在1uV級別。
低功耗。對於運放來講，低功耗需求並非必須，因為可以用處理器控制一個MOS管來管理運放的供電，在不處理信號時切斷運放供電，以滿足系統低功耗需求。但這種解決方案，在一定程度上增加了系統複雜度和成本。所以低功耗運放當然也是方案中的更優選擇。
在醫用級測溫方案中，大家會發現各個廠家的「XX8551」型號運放會被提及。溯源來講，ADI公司的低壓自穩零運放AD8551的各項指標基本都可以滿足這些需求，但並非所有IC公司的自穩零運放「XX8551」都真實可靠地滿足這些指標。更加有趣的是，即使運放選擇沒有問題，還會有其他的系統問題，使得採用該方案的產品很難達到醫用級測溫的設計指標。
ADC基準電壓。一般處理器內部ADC的基準就是供電的AVCC電壓。如果客戶用電池直接作為AVCC電壓的話，那就意味著當電池被使用一段時間後電壓下降，ADC基準電壓就發生變化了。也有客戶用LDO供出一個穩定的AVCC，但是LDO輸出電壓隨環境溫度的變化一般也沒有保證。從根本上來講，最佳方法是用一顆溫漂不錯的電壓基準來供給ADC基準，並且這個基準要滿足低靜態功耗和低溫漂要求，但實際上，客戶幾乎無法承受這樣的片外分立電壓基準的成本。
偏置電壓問題。如何保證偏置電壓和ADC的基準成比例漂移？偏置電壓漂移是單端ADC應用局限造成的。如果是差分輸入，就不會有這個問題。作為應對，有客戶使用ADC的一個通道去採這個偏置電壓，並在軟體中做數字差分，但兩個單端ADC通道的不一致性總會帶來一些問題。尤其是當ADC裸數據只差了1個LSB就可能對最後精度造成影響的情況下。
運放增益是使用電阻對配出來的，而電阻對的溫漂匹配度也需要考慮。
對於NTC採集環境通道的那一路，也推薦使用運放來做信號調理，從熱電堆傳感器原理來講，環境溫度採集精度事實上直接影響目標溫度的精度。
上述系統級問題加上運放本身的高要求，使得採用這種高精度運放+低成本處理器的方案難以真正達到醫用級額溫槍精度。或者即使勉強達到，其真實付出的硬體成本也並不低。這也是為何那些真正有歷史和經驗的大廠對這一類方案並不感冒的原因。
03
採用內部集成PGA（差分儀表放大器結構）的18位以上Sigma Delta ADC + 處理器的方案。
可能有人會質疑，ADI或者TI這些大廠的24位高精度Sigma Delta ADC太貴，不適合額溫槍這一準消費類應用。而事實上，原本在額溫槍和耳溫槍市場上的主力24位Sigma Delta ADC，早就已經大部分是大陸和臺灣廠商的天下。大陸的納芯微、芯海，臺灣的松翰，宏康等有24位Sigma Delta ADC技術的晶片廠家，其晶片價格都已經很低，與分立的高精度自穩零運放相比成本並沒有差多少，而其性能上的優勢和系統上的好處顯而易見。這裡就用納芯微的NSA2300信號調理晶片（ADC）來舉例，說明該方案和高精密運放的方案對比。
首先，NSA2300是Sigma Delta ADC，由於其數模轉換原理和數字濾波器的關係，一般在配置為較低輸出率（ODR）的情況下，可以保證很高的信噪比。比如，NSA2300在配置為32768過採樣情況下，其輸入等效噪聲<80nV, 比1uV的要求小10倍以上，完全可以滿足熱電堆傳感器用於額溫槍的應用場合。
其次，類似NSA2300這樣的ADC其輸入一般為差分輸入。相對處理器內部的單端輸入ADC而言，差分輸入的優點是對於熱電堆信號負上的共模電壓，幾乎沒有任何精度上的要求。
類似NSA2300這樣的ADC，一般內部都集成一級有高增益（64x或128x以上）和高輸入阻抗的PGA。由於該類ADC其設計的應用場合以小電壓DC量為主（比如電子秤），所以一般都帶有斬波（chopping）功能以消除PGA偏置電壓自身漂移。NSA2300的輸入，還可以開啟輸入正負極信號交換（SWAP）的特殊功能，如果使用軟體正負方向各採集一次來做平均抵消，完全可以在全溫度範圍內做到輸入等效偏置電壓遠小於1uV。
類似NSA2300這樣的ADC，其內部都帶有一個低溫飄電壓基準，並且該基準電壓一般為1.8V或者2.5V。在3V電池供電的情況下，即使供電電壓有一定下降，對其基準影響也相當有限，這一特點可以保證客戶在電池供電不足的情況下依舊保證測量的精度。
類似NSA2300這樣的ADC，其輸入通道一般不止一路。所以可以使用一路採集熱電堆的電壓信號，而用另一路來採集基於NTC的環境溫度。
NSA2300有低功耗工作模式。在低功耗模式下，它只有在採樣時才打開內部電路開始工作，完成採樣後立即進入低功耗休眠模式，其休眠靜態電流在常溫下僅200nA，這樣可以保證使用在電池供電型手持額溫槍的長久使用時間。當然，這一特性並非所有24位Sigma Delta ADC都有。
所以，無論性能還是價格，使用片外24位高精度Sigma Delta ADC的方案才是目前最適合熱電堆傳感器應用的可行方案。
當然，前面分析只是針對硬體電路和硬體架構。事實上，滿足醫用級額溫槍、耳溫槍精度要求的熱電堆傳感器應用,保證高精度不僅需要符合指標要求的硬體，更為重要的是軟體開發以及系統標定和校準。
從軟體層面來講，客戶都知道使用一個或兩個查找表來進行目標溫度檢測。但更重要的是，在軟體層面需要用更多的數字濾波器來幫助達到目標測量精度。比如，使用高階IIR/FIR濾波器，在進一步提高信噪比的同時，也可以幫助減小手持額溫槍進行測量時由於手抖或者待測目標不完全靜止帶來的影響。這樣的數字濾波器算法，其開發需要大量實驗數據支撐。
從標定層面來講，利用黑體和恆溫槽來做目標和環境溫度的標定是基本常識。可是，到底需要標定多少溫度點才能保證在寬範圍環境溫度下的醫用精度？從寒冷的俄羅斯，到酷熱的印度和非洲，出口額溫槍面臨的寬環境溫度範圍使用條件更為複雜和苛刻，這就需要對高低溫環境下的多溫度點標定花大功夫進行實驗和數據搜集。
當然，熱電堆傳感器生產廠商也在不斷做出技術迭代和創新。相信在不久的將來，更多熱電堆廠商會推出可直接輸出數字溫度的熱電堆傳感器，並將其價格推到更為合理的區間。到了那個時候，熱電堆傳感器應用門檻會進一步降低，熱電堆傳感器也會在更多的消費電子應用領域被大家使用起來。