工程师温度传感攻略—温度传感器规划应战和解决计划从热敏电阻到多通道长途传感器I

　　在个人电子产品、工业或医疗运用的规划中，工程师有必要应对相同的应战，即怎么进步功用、增加功用并缩小尺寸。除了这些考虑要素外，他们还有必要细心监测温度以确保安全并维护体系和顾客免受损伤。

　　很多职业的另一个一同趋势是需求处理来自更多传感器的更大都据，进一步阐明晰温度丈量的重要性：不只要测量体系或环境条件，还要补偿其他温度灵敏元件，然后确保传感器和体系的精度。别的一个优点在于，有了精确的温度监测，无需再对体系进行过度规划来补偿不精确的温度丈量，然后能够进步体系功用并下降本钱。

　　•温度监测：温度传感器供给有价值的数据来继续跟踪温度条件，并为操控体系供给反应。此监测能够是体系温度监测或环境温度监测。在一些运用中，咱们能够看到规划应战的特点是需求在操控回路中一同完成这两种监测。这些监测包括体系温度监测、环境温度监测以及身体或流体温度监测。

　　•温度维护：在多种运用中，一旦体系超越或低于功用温度阈值，便需求采纳办法。温度传感器在检测到事先界说的条件时供给输出警报以防止体系损坏。在不影响体系可靠性的情况下进步处理器吞吐量是可行的。体系常常过早发动安全热关断，成果构成高达 5°C 乃至 10°C 的功用丢失。当体系超越或低于功用温度阈值时，工程师能够自主发动实时维护办法。

　　•温度补偿：温度传感器能够在正常作业期间随温度改变最大极限进步体系功用。监测和校对其他要害组件在发热和冷却时的温漂可下降体系故障的危险。本电子书将供给一些 TI 运用简介，由此阐明运用不同温度传感技能的各种运用的规划注意事项。书中的章节首要介绍首要的温度应战，然后要点阐明各种运用的规划注意事项，评价温度精度和运用尺度之间的权衡，一同评论传感器放置办法。

　　在嵌入式体系中，总是需求更高的功用、更多的功用和更小的外形尺度。鉴于这种需求，规划人员有必要监测全体温度以保证安全并维护体系。在运用中集成更多传感器进一步推动了对温度丈量的需求，不只要丈量体系条件或环境条件，还要补偿温度灵敏元件并坚持全体体系精度。

　　•精度。传感器精度表明温度与实在值的挨近程度。在确认精度时，有必要考虑一切要素，包括收集电路以及整个作业温度范围内的线性度。

　　•尺度。传感器的尺度会对规划发生影响，而剖析整个电路有助于完成更优化的规划。传感器尺度还决议了热呼应时刻，这关于体温监测等运用十分重要。

　　•传感器放置。传感器的封装和放置会影响呼应时刻和传导途径；这两个要素都对高效温度规划至关重要。

　　工业中常见的温度传感器技能包括集成电路 (IC) 传感器、热敏电阻、RTD 和热电偶。表 1 比较了在为规划应战评选合适的技能时参阅的首要特性。

　　IC 温度传感器取决于硅带隙的猜测温度依赖性。如图 1 和公式 1 所示，精细电流为内部正向偏置 P-N 结供给电源，然后发生对应于器材温度的基极-发射极电压改变。

　　(ΔVBE)。鉴于硅的可猜测行为，IC 可在广泛的温度范围内供给高线°C）。这些传感器能够集成体系功用，例如模数转换器 (ADC) 或比较器，终究能够下降体系杂乱性并减小全体占用空间。这些传感器一般选用外表贴装和穿孔封装技能。

　　热敏电阻是无源组件，其电阻很大程度上取决于温度。热敏电阻分为两类：正温度系数 (PTC) 和负温度系数 (NTC)。

　　尽管热敏电阻针对板载和非板载温度传感办法供给了多种封装挑选，但与 IC 传感器比较，其完成计划一般需求更多的体系组件。硅基 PTC 热敏电阻具有线性特征，而 NTC 热敏电阻具有非线性特征，一般会增加校准本钱和软件开支。

　　图 2 显现了典型的热敏电阻完成计划。一般很难确认热敏电阻的实在体系精度。NTC 体系差错的影响要素包括 NTC 容差、偏置电阻器（易受温漂影响）、ADC（或许导致量化差错）、NTC 固有的线性化差错以及基准电压。

　　铂 RTD 可在高达 600°C 的广泛温度范围内供给高精度和高线所示，一个选用模仿传感器的完成计划中包括杂乱的电路和规划应战。终究，为了完成精确的体系，需求进行杂乱的差错剖析，这是由于发生影响的组件数量较多，而这也会影响体系的全体尺度。RTD 还需要在制作期间进行校准，然后每年进行现场校准。

　　热电偶由两个不同的电导体组成，这两个电导体在不同的温度下构成电结。由于热电塞贝克效应，热电偶发生与温度相关的电压。该电压转换为热端和冷端之间的温差。

　　有必要知道冷端的温度才干取得热端温度。由于有两个体系具有相互影响的独自容差和才能，这儿的精度将遭到约束。图 4 显现了一个典型的 CJC 完成计划，其间选用热电偶和外部传感器来测定热端温度。

　　热电偶不需求外部鼓励，因而不会遭到自发热问题的影响。它们还支撑极点温度 (2,000°C)。

　　尽管热电偶巩固耐用且价格低廉，但它们却需求额定的温度传感器来支撑 CJC。热电偶往往具有非线性特征，并且关于热电偶与电路板衔接处的寄生结十分灵敏。

　　关于许多体系规划，有必要监测高功率组件（处理器、现场可编程门阵列、场效应晶体管）以保证体系和用户安全。温度读数的精确性十分重要，由于它使规划人员能够在进步功用的一同坚持在安全约束内，或许经过防止在其他当地过度规划来下降体系本钱。德州仪器 (TI) 的紧凑型高精度温度传感器产品系列能够更接近这些要害组件放置，完成最精确的丈量。

　　电路中的温度问题会影响体系功用并损坏贵重组件。经过丈量印刷电路板 (PCB) 中存在热门或高耗电集成电路 (IC) 的区域的温度，有助于辨认热问题，然后及时采纳防备或纠正办法。

　　您或许期望监测高耗电 IC（例如中央处理单元、专用 IC、现场可编程门阵列或数字信号处理器）的管芯温度以动态调整其功用，或许或许期望监测功率级周围的热区，以便操控体系中的电扇速度或发动安全体系关闭程序。

　　本地温度传感器丈量它们自己的管芯温度以确认特定区域的温度。因而，了解管芯与传感器周围物体或环境之间的首要温度传导途径至关重要。首要经过两种途径导热：经过衔接到封装的管芯衔接焊盘 (DAP)（图 2）或经过封装引线引脚。DAP（假如存在）供给 PCB 和管芯之间最要的导热途径。

　　假如封装类型不包括 DAP（图 3），则引线和引脚供给最首要的导热途径。模塑化合物供给额定的导热途径，但由于其低导热性，通过模塑化合物自身进行的任何热传递均比经过引线或 DAP 进行的热传递更慢。

　　封装类型决议了温度传感器对温度改变的呼应速度。图 4 显现了用于温度丈量的不同类别的选定外表贴装技能封装类型的相对热呼应速率。

　　不带模塑化合物的封装（芯片级封装、管芯尺度球栅阵列封装）和带有 DAP 的封装（四方扁平无引线 [QFN] 封装、双方扁平无引线 [DFN] 封装）是专为需求从 PCB 快速进行热传递的运用而规划的，而不带 DAP 的封装是专为需求较慢呼应速率的运用而规划的。快速的热呼应速率使温度传感器能够快速呼应任何温度改变，然后供给精确的读数。

　　传感器方位应尽或许接近要监测的热源。应防止在发热 IC 和温度传感器之间的 PCB 上穿孔或切断，由于这或许会减慢或阻挠热呼应。假如或许，请将温度监测器装置在 PCB 底部直接坐落热源下方，如图 5 所示。T

　　I 主张运用过孔将热量从 PCB 的一侧快速传递到另一侧，由于与 FR-4 比较，过孔具有更好的铜导热性。能够运用尽或许多的并行过孔或填充式传导过孔，将热量从热源传递到温度监测器，以便在两个 IC 之间完成快速热平衡。带有 DAP 的 QFN 或 DFN 封装有助于进一步缩短过孔与传感器管芯之间的热阻途径。

　　假如将温度传感器放置在热源的另一侧是不切实际或不划算的做法，请将其放置在尽或许接近热源的同一侧，如图 6 所示。在热源和温度监测器之间树立热平衡的最有用办法是运用地层。应运用从热源延伸到温度传感器的巩固地层。

　　在具有热电区域或高耗电 IC 的 PCB 规划中，温度监测至关重要。有必要评价本地温度传感器的挑选是否契合相关规划的体系要求和维护计划。

　　比如中央处理单元 (CPU)、图形处理单元 (GPU)、专用集成电路 (ASIC) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 之类的高功用处理器中的电源办理一般很杂乱。经过温度监测，这些体系不只能够发动安全体系关闭程序，还能够运用温度数据来动态调整功用。

　　监测进程温度能够进步体系可靠性并最大极限进步功用。如图 1 所示，高功用处理器一般运用散热器吸收管芯中的过多热量。较高的温度或许会激活散热电扇，修正体系时钟，或许在处理器超越其温度阈值时快速关闭体系。

　　为了完成高效的温度监测，高功用处理器有两个规划注意事项：温度精度和传感器放置。处理器的温度精度直接与传感器方位相关。

　　如图 2 所示，经过高精度的温度监测，能够最大极限进步处理器功用，然后将体系推动到其温度规划极限。尽管大大都集成电路都有内置的温度传感器，但由于晶圆和其他各批次之间的差异，这些传感器的精度并不共同。别的，有必要依据基准来调度处理器，然后调整相关于管芯温度的系数。高功用处理器自身具有杂乱的电路并会引起自发热，因而会发生随温度增加的温度差错。假如规划的体系具有较低精度和温度差错，体系的功用将无法在其温度规划极限内到达最大化。

　　集成的温度传感器或温度二极管或外部温度传感器能够监测处理器的热功用。在某些情况下，一同运用内部和外部传感器能够最大化体系功用并进步可靠性。

　　一些高功用处理器包括用于温度传感的双极结型晶体管 (BJT)。BJT 具有取决于温度且可猜测性极高的传递函数。长途温度传感器运用此原理来丈量管芯温度。在互补金属氧化物半导体工艺中最常见的 BJT 是 P 沟道 N 沟道 P 沟道 (PNP)。图 3 显现了一个用于丈量 PNP 晶体管衔接装备的长途温度监测电路。

　　由于晶圆和不同批次之间的差异引起的噪声和差错，规划长途温度监测体系的进程或许充溢应战。温度二极管差错或许由以下原因引起：

　　•抱负因子改变。BJT 温度二极管的特性取决于工艺几许要素和其他工艺变量。假如知道抱负因子 n，则可以运用 n 因子寄存器来校对 n 因子差错。或许，能够运用软件校准办法来校对所需温度范围内的抱负因子改变。

　　•串联电阻。由于电流源，信号途径中的任何电阻都将引起电压失调。现代长途温度传感器选用串联电阻算法，可消除由高达 1-2kΩ 的电阻引起的温度差错。即便与电阻-电容滤波器结合运用，该算法也能完成稳健、精确的丈量成果。

　　•噪声注入。当二极管走线与承载高电流的高频信号线并行排布时，耦合到远端印刷电路板走线中的电磁搅扰或电感或许导致差错。这是长途温度传感器最重要的电路板规划注意事项之一。

　　•Beta 补偿。集成到 FPGA 或处理器中的温度晶体管的 Beta 值或许小于 1。具有 Beta 补偿的长途温度传感器专门规划用于与这些晶体管结合运用并校对与它们相关的温度丈量差错。与分立式晶体管一同使用时，Beta 补偿特性不会带来任何优点。

　　TMP421 供给单个通道来监测 BJT；也有多通道长途温度传感器支撑多达八个通道，可在本地和长途丈量温度。

　　TMP451 在本地和长途均可供给高精度 (0.0625°C) 温度丈量。服务器、笔记本电脑和轿车传感器交融运用可获益于多通道长途传感器。

　　尽管内置温度传感器方位最佳，但其精度低至 ±5°C。增加外部本地温度传感器能够进步管芯温度精度并进步体系功用。当集成的管芯温度传感器不行用时，也能够运用本地温度传感器。但是，关于本地温度传感器，传感器位置是重要的规划注意事项。图 4 显现了放置本地温度传感器的一些选项：方位 a、b 和 c。

　　•方位 a。坐落微处理器散热器中心钻孔中的传感器与管芯十分接近。散热器能够夹持到处理器上，或许用环氧树脂贴附到处理器顶部。此方位的温度传感器一般需求较长的引线，而跟着散热器到微处理器之间的导热功用逐步下降，传感器数据将变得不正确。

　　•方位 b。另一个放置传感器的潜在方位是在处理器插座下方的空腔中，此处的拼装十分简略直接。鉴于传感器与气流阻隔，环境温度对传感器读数的影响极小。此外，假如散热器与处理器别离，传感器将显现处理器温度升高。尽管如此，假如选用这种传感器放置办法，传感器和处理器之间的温差或许在 5°C 到 10°C 之间。

　　•方位 c。传感器能够装置在微处理器单元 (MPU) 周围的电路板上。尽管这种装置办法易于施行，但传感器温度与 MPU 温度之间的相关性要弱得多。

　　占位尺度是挑选本地温度传感器时需求考虑的一个要素。TMP112 选用 1.6mm x 1.6mm 封装，能够接近处理器运用。与集成在处理器内部的温度传感器一般只要 5°C 至 20°C 的精度比较，TMP112 器材的 0.5°C 精度能够最大极限进步功用。