IC溫度傳感器查找熱點(diǎn)

本應(yīng)用筆記討論了溫度傳感器IC的工作原理，并介紹了MAX1617，這是首款測(cè)量遠(yuǎn)端熱二極管溫度的溫度傳感器IC，可精確監(jiān)測(cè)另一個(gè)IC或分立晶體管的管芯溫度。

實(shí)時(shí)溫度測(cè)量確保當(dāng)今更小、更快的系統(tǒng)在安全的熱區(qū)運(yùn)行。最新的IC溫度傳感器以精確的精度監(jiān)測(cè)外部和內(nèi)部組件熱點(diǎn)。

IC溫度傳感器已經(jīng)成熟。在PC和汽車應(yīng)用的推動(dòng)下，設(shè)計(jì)人員將這些無(wú)處不在的熱嗅探器嵌入到幾乎所有比尋呼機(jī)更大的電子系統(tǒng)中。蜂窩電話通常在電池組中包括一個(gè)或多個(gè)傳感器，筆記本電腦可能有四個(gè)或更多傳感器，用于檢查CPU，電池，交流適配器和PCMCIA卡架中的溫度。因此，IC溫度傳感器的設(shè)計(jì)和制造已成為一個(gè)價(jià)值300億美元/年的產(chǎn)業(yè)。

這些應(yīng)用不包括設(shè)計(jì)人員在各種IC中內(nèi)置的大量熱關(guān)斷和保護(hù)電路，作為防止短路和超頻（超過(guò)IC規(guī)定的時(shí)鐘速度）的最終防御。它們不能總是取代傳統(tǒng)的溫度傳感器——電阻溫度檢測(cè)器、熱敏電阻和熱電偶——但I(xiàn)C溫度傳感器具有許多優(yōu)勢(shì)。例如，它們不需要線性化或冷端補(bǔ)償。實(shí)際上，它們通常為熱電偶提供冷端補(bǔ)償。它們通常通過(guò)更高電平的輸出信號(hào)提供更好的抗噪性，有些提供可以直接連接到數(shù)字系統(tǒng)的邏輯輸出。

魯布·戈德堡裝置

關(guān)于IC溫度傳感器的討論變得及時(shí)而重要，因?yàn)殡娮酉到y(tǒng)越來(lái)越密集、耗電和發(fā)熱。溫度傳感器也有很多小工具的吸引力。許多IC執(zhí)行高度抽象的功能。（看！這是一個(gè)正交幅度調(diào)制器！但溫度傳感器與現(xiàn)實(shí)世界直接相關(guān)，咔嗒聲、嗡嗡聲和嗡嗡聲。將手指放在溫度傳感器上，它會(huì)通過(guò)啟動(dòng)風(fēng)扇或蜂鳴器來(lái)響應(yīng)。更復(fù)雜的傳感器通常類似于帶有數(shù)字接口的Rube Goldberg裝置 - 具有自主操作，并且可能能夠廣播帶有識(shí)別返回地址代碼的警告消息，以精確定位發(fā)起者。

在IC的早期，IC溫度傳感器是簡(jiǎn)單的DIP器件，可測(cè)量自己的封裝溫度并產(chǎn)生成比例的輸出電壓信號(hào)。應(yīng)用非常簡(jiǎn)單：您只需將模擬輸出信號(hào)運(yùn)行到電壓比較器或A/D轉(zhuǎn)換器中即可。如今，新設(shè)備的激增提供了遙感、氣流感應(yīng)和其他有趣的功能。本文按類型調(diào)查可用的IC溫度傳感器，并提供將其與應(yīng)用相匹配以及權(quán)衡其規(guī)格和特性的指南。

每個(gè)帶隙中的溫度傳感器

The ΔV是帶隙基準(zhǔn)電壓源是幾乎所有IC溫度傳感器的核心。首先，術(shù)語(yǔ)“帶隙”用詞不當(dāng)：它指的是硅的帶隙電壓，在室溫下為1.12V。純屬巧合的是，該值幾乎等于負(fù)溫度系數(shù)（TC）V時(shí)的魔術(shù)電壓是，與正TC消除電壓相加，得到穩(wěn)定的零TC基準(zhǔn)電壓源。

硅pn結(jié)的正向電壓為

VBE = VG0(1-T/T0)+VBE0(T/T0)+(nKT/q)ln(T0/T)+(KT/q)ln(IC/IC0),

其中 T 是以開(kāi)爾文度為單位的溫度，VG0是外推到絕對(duì)零度的半導(dǎo)體帶隙，VBE0等于 V是在溫度 T0和相應(yīng)的電流IC0，K是玻爾茲曼常數(shù)，q是電子的電荷，n是與器件結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。在兩個(gè)電流密度下計(jì)算該方程可以簡(jiǎn)化得到的ΔV表達(dá)式是:

ΔVBE = (KT/q)ln(IC1/IC2).

因此，正向電壓的差異與溫度成正比。通過(guò)精確強(qiáng)制兩個(gè)電流水平，您可以從測(cè)量的 ΔV 計(jì)算溫度是幾乎不考慮初始正向電壓、結(jié)的物理尺寸、泄漏或其他結(jié)特性。這一原理是歷史上使用最廣泛的IC單元之一，即Brokaw帶隙參考（圖1）。您會(huì)發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)或其近親是幾乎所有IC的啟動(dòng)電路中偏置電流發(fā)生器的一部分，無(wú)論是數(shù)字的還是模擬的。

圖1.所有帶隙電路均包括一個(gè)電子溫度計(jì)。在MAX675精密基準(zhǔn)中，溫度計(jì)可通過(guò)封裝引腳訪問(wèn)。在其他器件中，它連接到比較器，形成緊急熱關(guān)斷電路。

該技術(shù)要求迫使不同的電流密度通過(guò)構(gòu)成基準(zhǔn)電壓源核心的兩個(gè)晶體管。雖然是分立元件版本，但帶隙電路類似于單片IC版本。兩個(gè)晶體管的工作電流密度比精確為16：1。作為精密運(yùn)算放大器IC的反饋1平衡電路，產(chǎn)生的VBE電壓在R兩端施加1.

作為 R 中的電流1通過(guò) R 流向地面2，Q 發(fā)射極處產(chǎn)生的電壓2TC 的正 TC 為 2.2mV/°C。 用 Q 求和2的 V是，該電壓在 V 處產(chǎn)生零 TC 電壓裁判輸出端子。集成電路2緩沖和縮放正 TC 電壓 （VTC） 以提供 10mV/°C 的精確輸出。 因此，大多數(shù)IC都包含一個(gè)溫度計(jì)，但它的精度通常值得懷疑，IC設(shè)計(jì)人員很少將其用于外部使用。

硅pn結(jié)的過(guò)大漏電流特性將基于IC的傳感器的溫度限制在200°C左右。 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，這些電流隨著溫度每升高10°C而翻倍。過(guò)大的漏電流會(huì)導(dǎo)致帶隙基準(zhǔn)電壓源和信號(hào)調(diào)理電路出現(xiàn)故障。

IC溫度傳感器的主要類別

供應(yīng)商根據(jù)輸入源和輸出信號(hào)方法對(duì)IC溫度傳感器進(jìn)行分類。要測(cè)量的溫度源通常是IC自身的封裝，但您可以使用片上加熱器測(cè)量氣流，將封裝溫度提高到環(huán)境溫度以上，也可以使用連接二極管的晶體管測(cè)量遠(yuǎn)端溫度。在輸出端，模擬輸出、恒溫邏輯輸出和串行數(shù)字輸出信號(hào)方法被廣泛使用。表1提供了溫度傳感器的樣本。

第一個(gè)IC溫度傳感器是基本的模擬輸出設(shè)備，可產(chǎn)生與溫度成比例的電壓或電流。它們?nèi)匀环浅Ｓ杏?，特別是在設(shè)計(jì)可以利用溫度指示幾乎無(wú)限分辨率的純模擬系統(tǒng)時(shí)。

設(shè)計(jì)人員通常使用簡(jiǎn)單的邏輯輸出器件來(lái)控制冷卻風(fēng)扇和其他恒溫器應(yīng)用。當(dāng)傳感器的封裝溫度超過(guò)預(yù)設(shè)閾值時(shí)，傳感器的邏輯輸出將改變狀態(tài)。這些器件通常具有連接，允許您使用外部電阻分壓器調(diào)節(jié)閾值溫度和遲滯帶。其他器件在內(nèi)部固定閾值和遲滯。這些簡(jiǎn)單的芯片（例如Maxim的MAX6501系列）最近推出了小型低成本封裝，如SOT-23。

IC溫度傳感器在作為ASIC的一部分集成時(shí)最有效。較舊的鎳鎘電池組通常具有板載熱敏電阻（低于25美分）而不是IC溫度傳感器。較新的鋰離子電池組通常將溫度傳感器與電池組的保護(hù)IC集成在一起，保護(hù)IC還執(zhí)行過(guò)流保護(hù)、電池平衡、電量計(jì)和其他任務(wù)。

更復(fù)雜的溫度傳感器包括一個(gè)串行接口，如I2C、SPI或SMBus，可提供與嵌入式微控制器和其他數(shù)字系統(tǒng)的通信。在類似的趨勢(shì)中，越來(lái)越多的微控制器具有內(nèi)置串行接口，無(wú)需對(duì)接口引腳進(jìn)行“位撞擊”。專用串行接口也在向食物鏈上游遷移。例如，英特爾最新的PC芯片組有一個(gè)I/O控制器芯片，其中包含一個(gè)形成雙線SMBus接口的狀態(tài)機(jī)。

串行接口數(shù)字傳感器

串行數(shù)據(jù)接口最有用的應(yīng)用包括 CPU 時(shí)鐘節(jié)流和風(fēng)扇控制。時(shí)鐘節(jié)流（降低時(shí)鐘頻率）是提高便攜式系統(tǒng)中電池壽命的成熟技術(shù)。較低的時(shí)鐘頻率可降低容性開(kāi)關(guān)損耗，從而降低電源電流并延長(zhǎng)電池壽命。設(shè)計(jì)人員還使用時(shí)鐘節(jié)流來(lái)控制當(dāng)您超快的臺(tái)式機(jī)或筆記本電腦過(guò)度工作時(shí)發(fā)生的熱量積聚。

電源管理系統(tǒng)監(jiān)控 CPU 溫度，并在 CPU 溫度超過(guò)安全限制時(shí)降低時(shí)鐘頻率（也可能激活風(fēng)扇）。溫度傳感器的數(shù)字接口允許您在溫度控制回路中包含智能功能，從而允許系統(tǒng)應(yīng)用風(fēng)扇速度和時(shí)鐘節(jié)流的不同組合，以響應(yīng)特定區(qū)域的過(guò)熱。軟件控制還允許您在更改系統(tǒng)硬件或散熱屬性時(shí)輕松升級(jí)。

最新、最熱的 CPU 芯片支持時(shí)鐘節(jié)流，內(nèi)置 pn 二極管用于溫度指示。片上二極管比熱敏電阻和其他以前的傳感器領(lǐng)先幾光年，因?yàn)槎O管直接直接測(cè)量臨界點(diǎn)（IC基板），而沒(méi)有與外部傳感器封裝和散熱器中的熱質(zhì)量相關(guān)的延遲。這種遙感技術(shù)的另一個(gè)好處是芯片連接問(wèn)題或散熱不良不會(huì)破壞測(cè)量。

最重要的是，溫度檢測(cè)二極管消除了傳感器在從CPU到環(huán)境熱阻路徑上的物理位置導(dǎo)致的不準(zhǔn)確性和不確定性。設(shè)計(jì)人員可以將時(shí)鐘速度和標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)性能提高到熱極限，而無(wú)需使用笨重、過(guò)度設(shè)計(jì)的散熱器或適應(yīng)僅在撒哈拉沙漠中發(fā)現(xiàn)的環(huán)境溫度所必需的過(guò)于保守、最壞情況的性能邊界。

新CPU中的熱敏二極管根據(jù)二極管溫度系數(shù)2.2mV/°C提供芯片溫度的原始指示。 A/D轉(zhuǎn)換器必須處理此信號(hào)，以便由電源管理系統(tǒng)進(jìn)行解釋。一種方法是用恒定電流偏置二極管，測(cè)量其正向電壓，并從基本的2.2mV/°C TC計(jì)算溫度。但這種方法有一個(gè)缺點(diǎn)：由于初始正向電壓隨工藝和器件特性而變化，因此您可能需要針對(duì)CPU工藝或芯片設(shè)計(jì)中的每次更改重新表征二極管，甚至單獨(dú)校準(zhǔn)二極管。The ΔV是技術(shù)是更好的方法。

遠(yuǎn)程 ΔV是中央處理器傳感器

實(shí)現(xiàn) ΔV是使用遠(yuǎn)端二極管的方法需要一個(gè)積分A/D轉(zhuǎn)換器、一些用于數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換的邏輯，以及一個(gè)精確的電流源，該電流源在兩個(gè)電平之間切換，比率可能為10：1。單芯片ICMAX1617包含這些功能，并轉(zhuǎn)換ΔV是信號(hào)到兩線串行數(shù)據(jù)（圖 2）。MAX1617可用于CPU溫度測(cè)量，因?yàn)樗蓹z測(cè)兩種溫度：自身封裝的溫度和遠(yuǎn)端端的溫度，如CPU的熱二極管。當(dāng)您將其安裝在關(guān)鍵的發(fā)熱子系統(tǒng)（如高速緩存或交流適配器）附近時(shí)，IC會(huì)同時(shí)測(cè)量其本地溫度和遠(yuǎn)程CPU的溫度。

圖2.串行接口溫度傳感器 IC 可通過(guò) CPU 中的熱敏二極管輕松測(cè)量遠(yuǎn)程 CPU 溫度。

精確、低成本的IC傳感器允許設(shè)計(jì)人員進(jìn)行多次遠(yuǎn)程封裝和片上溫度測(cè)量，以從其系統(tǒng)中榨取最大性能。動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)熱參數(shù)（如時(shí)鐘速度）允許系統(tǒng)繼續(xù)運(yùn)行，即使在惡劣的溫度環(huán)境中也是如此。

審核編輯：郭婷