為系統(tǒng)測量和保護(hù)選擇的溫度傳感器

對于那些想要測量系統(tǒng)中溫度的設(shè)計(jì)師來說，有多種技術(shù)可供選用。熱敏電阻、熱電偶、RTD及溫度傳感器IC，它們在特定情況下都具有相應(yīng)的優(yōu)勢及劣勢。本文對當(dāng)前幾種最常用的溫度傳感器技術(shù)進(jìn)行比較，并討論其在監(jiān)視PCB、環(huán)境空氣及高功率電路（如CPU、FPGA等）等常見目標(biāo)上的適用性。

溫度傳感技術(shù)

傳感器通常用來在電子系統(tǒng)中監(jiān)視溫度，并提供保護(hù)，以免產(chǎn)生過度的溫度偏移。下面我們列出幾種在電子系統(tǒng)中最常用的溫度傳感器技術(shù)。

熱電偶由兩根不同的金屬線連在一起形成，金屬線之間的連接點(diǎn)產(chǎn)生一個與溫度近似成比例的電壓。其特點(diǎn)包括：寬溫度范圍（高達(dá)1250°C）、低成本、極低輸出電壓（對于K型，可低至40μV／°C量級）、適當(dāng)?shù)木€性及中等復(fù)雜的信號調(diào)理（冷端補(bǔ)償及放大）。有幾種不同的熱電偶類型，分別用字母來表示。最常見的是K型。由Maxim制造的IC （MAX6674及MAX6675）具有調(diào)整K型熱電偶信號的功能，從而可簡化設(shè)計(jì)，并極大地減少信號放大、冷端補(bǔ)償、輸出量化所需的器件數(shù)量。熱電偶可采用帶有裸露引線的探針形式。

RTD實(shí)際上是一種阻值隨溫度變化的電阻（通常用鉑金線制成）。其特點(diǎn)包括：寬溫度范圍（可高達(dá)750°C）、出色的精度及可重復(fù)性、適度的線性、以及需要進(jìn)行信號調(diào)理等。RTD信號調(diào)理電路通常由精密電流源及高分辨率ADC組成，因此成本可能較高。RTD可采用探針形式及表面貼裝封裝，并帶裸露引線。

熱敏電阻實(shí)際上是一種溫度效應(yīng)電阻，通常由電導(dǎo)型材料燒結(jié)而成。最常見的熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻。其特點(diǎn)包括：適當(dāng)?shù)臏囟确秶蛇_(dá)150°C）、中低成本（取決于精度）、較差但可預(yù)知的線性度以及需要進(jìn)行適度的信號調(diào)理等。熱敏電阻可采用探針形式以及帶裸露引線的表面貼裝封裝，或其他類型的特殊封裝。由Maxim提供的IC可將熱敏電阻阻值轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。

IC溫度傳感器實(shí)際上是一種帶模擬或數(shù)字輸出并完全基于硅的溫度傳感電路。其特點(diǎn)包括：適當(dāng)?shù)臏囟确秶ù蠹s150°C）、低成本、出色的線性以及很多附加功能例如信號調(diào)理、比較器及數(shù)字接口等。具有多種數(shù)字輸出方式，包括3線與4線（如SPI?）、2線（如I2C及SMBus?）及單線（如1－Wire?、PWM、頻率及周期等）等多種類型。請注意，信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換及恒溫器等功能全都會增加其他類型溫度傳感技術(shù)的成本，但溫度傳感器IC卻通常已經(jīng)包含有這些功能。IC溫度傳感器主要采用表貼封裝。

為系統(tǒng)測量選擇合適的溫度傳感器

選擇正確的傳感器技術(shù)，須先從了解待測量溫度的目標(biāo)的特點(diǎn)及要求開始。以下列出一些常見的溫度測量目標(biāo)，并將其匯總于表1中。

PCB

表面貼裝傳感器最適用于PCB溫度測量。RTD、熱敏電阻及IC傳感器等均可采用表面貼裝封裝，且其溫度范圍與待測PCB的溫度相兼容。RTD相當(dāng)精確且提供高可重復(fù)性測量，但與熱敏電阻及IC相比，其價格較高。熱敏電阻的線性很差，但其非線性可以預(yù)測。如果只在一個較窄的溫度范圍內(nèi)使用時，通常只需用一至兩個外接電阻即可將其很好地線性化。如果精度不重要，則熱敏電阻可相當(dāng)便宜；但精密熱敏電阻卻比較貴。如果采用線性化計(jì)算或查找表格，則將顯著地增加系統(tǒng)成本及復(fù)雜性。IC通常擁有出色的線性和附加功能，例如數(shù)字接口或恒溫器等功能。在測量PCB溫度時，這些特性通常使其在系統(tǒng)成本、設(shè)計(jì)復(fù)雜性及性能等方面優(yōu)于其他類型的傳感器技術(shù)。

精確地測量PCB溫度的一個關(guān)鍵因素是須將傳感器定位在正確的位置上。通常需要測量特定器件或器件組的溫度，以保證溫度不超出安全工作范圍，或者對由溫度引起的器件性能變化進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)傳感器位置成為關(guān)鍵因素時，選用小封裝傳感器比較有利，如SOT23，無需改變PCB布局即很容易將其安裝在合適的位置上。當(dāng)需要將傳感器安裝在電噪聲很強(qiáng)或遠(yuǎn)離其他溫度相關(guān)電路的位置上時，數(shù)字輸出很有用。

表1． 用于系統(tǒng)溫度監(jiān)視的最佳傳感器類型

環(huán)境空氣

環(huán)境空氣的溫度比較難測量，因?yàn)閭鞲衅鞯臏囟缺仨毞从晨諝獾臏囟?，但是由于與其他部件（PCB、電源及CPU等）相隔離，它們可能處于不同的溫度。熱敏電阻、熱電偶及RTD一般都采用可將傳感元件與PCB溫度隔開的長引線，如果引線足夠長，則傳感元件將和環(huán)境處于同一溫度，而引線則與可能處于不同溫度的PCB相連。IC傳感器通常很難用來測量環(huán)境溫度，因其最佳傳熱通道是與PCB處于同一溫度的引線。如果PCB不具有和環(huán)境相同的溫度（例如，如果它裝有功耗足以升高電路板溫度的器件），則IC即不可能測量環(huán)境溫度。請注意，即使采用可使IC傳感器高于PCB的傳統(tǒng)IC封裝，例如TO92，由于引線的導(dǎo)熱能力非常好，因而測出的溫度實(shí)際上仍然是PCB的溫度。但由于它們具有數(shù)字輸出及恒溫器等其他功能，IC傳感器有時還是被用來測量環(huán)境空氣的溫度。這通常是將其安裝在一個與環(huán)境同溫的小型“衛(wèi)星” PCB上來實(shí)現(xiàn)的。IC也能用來對其他類型傳感器的測量信號進(jìn)行調(diào)理，其中包括用于RTD的ADC及放大器、熱敏電阻至數(shù)字轉(zhuǎn)換器（如MAX6691）以及熱電偶至數(shù)字轉(zhuǎn)換器（如MAX6675）等（圖1）。

圖1． 采用熱電偶測量環(huán)境溫度，MAX6675提供冷端補(bǔ)償，并將熱電偶輸出轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。

CPU、圖形處理器、FPGA、功率器件、模塊等等

高功率器件的溫度通?？捎每拷蛭挥谄骷旅娴谋砻尜N裝傳感器（熱敏電阻、IC或RTD等）來測量。如果無法實(shí)現(xiàn)，或者如果器件上裝有散熱片或具有其他一些需要測量溫度的表面，則可將帶有長引線的傳感器（如熱電偶、RTD及熱敏電阻等）安裝在與被測表面相接觸的位置上。如果被測溫度可能超過150°C，則熱電偶或RTD為最佳選擇。如果被測溫度可能接近或高于750°C，則熱電偶為唯一選擇。

CPU、圖形處理器、FPGA、功率器件、模塊等等（帶片上熱二極管）

有些器件，尤其像CPU、圖形處理器（GPU）及FPGA等高性能IC，它們包含有用于測量溫度的、連接為二極管形式的雙極型晶體管。由于熱感應(yīng)晶體管就位于IC晶片上，因此其溫度測量精度遠(yuǎn)高于其他溫度傳感技術(shù)，而且熱時間常數(shù)也相當(dāng)小。

Maxim提供幾種專門設(shè)計(jì)用來精確測量熱二極管溫度并將其直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的IC。在這些IC中，其中一些可測量一個熱二極管，而有些則能同時測量多達(dá)4個熱二極管。雖然熱二極管的輸出信號電平很?。傻椭?00μV／°C量級），但仍大于熱電偶的輸出信號電平。內(nèi)部及外部濾波，再加上合理的電路布局，使得遠(yuǎn)端二極管溫度傳感器能夠被廣泛用于具有很強(qiáng)電氣噪聲的設(shè)備中，例如計(jì)算機(jī)、服務(wù)器及工作站等。這些IC中的大多數(shù)都能提供其他功能來保護(hù)目標(biāo)IC，例如過溫告警引腳，如果溫度超過目標(biāo)的安全工作極限，則能用它來關(guān)斷系統(tǒng)。圖2給出了遠(yuǎn)端二極管溫度傳感器（MAX6642）的一個例子。這種IC可測量熱二極管和其自身的溫度，測量上限可高達(dá)150°C，同時還提供過溫告警輸出，觸發(fā)溫度可通過SMBus編程。

圖2． MAX6642為世界上尺寸最小的遠(yuǎn)端溫度傳感器。它的ALERT引腳可作為一路中斷使用，或作為系統(tǒng)關(guān)斷信號，以防目標(biāo)IC因過熱而損壞。

結(jié)論

有多種不同的溫度傳感技術(shù)擺在系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的面前。可根據(jù)被測目標(biāo)溫度或其他系統(tǒng)要求如成本、電路尺寸及設(shè)計(jì)時間等來選擇適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲屑夹g(shù)。Maxim公司提供選擇面很寬的各種溫度傳感IC，可幫助設(shè)計(jì)師以優(yōu)異的性能和很低的綜合成本解決各種常見的溫度測量問題。