在溫度跟蹤電源中使用熱敏電阻

本文提供了關于負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻以及如何基本使用它們的簡單直觀的教程，特別是在電源穩(wěn)壓器中。一個很好的例子是它們用于消除溫度對LCD顯示器對比度的影響。本文展示了兩種簡單的NTC熱敏電阻線性化技術，并通過穩(wěn)壓器設計程序和示例演示了其應用。每個示例都包含一個原理圖，并將測量的輸出電壓與溫度與目標進行比較。

根據(jù)定義，電源穩(wěn)壓器設計用于提供穩(wěn)定的輸出電壓，盡管線路（輸入電壓）、負載和溫度發(fā)生變化。雖然對于大多數(shù)應用來說，穩(wěn)定的輸出是目標，但在某些應用中，提供與溫度相關的輸出電壓是有利的。本文提供在溫度跟蹤電源中使用負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻的教程、設計過程和電路示例。

到目前為止，溫度相關調節(jié)最常見的應用是LCD偏置電源，其中顯示器的對比度會隨環(huán)境溫度而變化。通過施加溫度相關的偏置電壓，LCD的溫度效應可以自動消除，以在很寬的溫度范圍內保持恒定的對比度。本文中的示例針對LCD偏置解決方案;但是，教程和設計公式很簡單，可以很容易地應用于各種電路。

為什么選擇NTC熱敏電阻？

NTC熱敏電阻為溫度相關調節(jié)提供了近乎最佳的解決方案。它成本低廉，可通過各種供應商（村田制作所、松下等）輕松獲得，并提供從 0402 尺寸到 1206 尺寸的小型表面貼裝封裝。此外，只需基本了解，NTC熱敏電阻即可直接應用于您的電路。

NTC特性

顧名思義，熱敏電阻只是一個與溫度相關的電阻。遺憾的是，這種依賴關系是非常非線性的（見圖1），并且本身對大多數(shù)應用程序沒有多大幫助。幸運的是，有兩種簡單的技術可以線性化熱敏電阻的行為。

圖1.NTC熱敏電阻電阻隨溫度變化極非線性。這使得熱敏電阻難以不在線性化網絡中應用。（R25乙= 10kΩ， β = 3965K）。

NTC熱敏電阻電阻隨溫度變化的標準公式如下：

其中 R25乙是熱敏電阻在室溫下的標稱電阻，β （β）是熱敏電阻的材料常數(shù)，單位為K，T是熱敏電阻的實際溫度（以攝氏度為單位）。

該方程非常接近實際溫度特性，如圖2所示。請注意 Y 軸使用對數(shù)刻度。

圖2.熱敏電阻電阻與溫度的關系在半對數(shù)圖上幾乎是線性的。實際測得的熱敏電阻與Beta公式相匹配，精度相當高。（R25乙= 10kΩ， β = 3965K）。

R25乙β通常發(fā)布在制造商的數(shù)據(jù)表中。R 的典型值25乙范圍從22Ω到500kΩ。β的典型值為 2500 至 5000K。

如圖3所示，較高的β值提供更高的溫度依賴性，當需要在較窄的溫度范圍內獲得更高的分辨率時非常有用。相反，較低的β值提供較少的斜率溫度依賴性，并且在較寬的溫度范圍內工作時更理想。

圖3.NTC熱敏電阻由其室溫電阻（R25乙）及其材料常數(shù)β（Beta）。Beta 是溫度依賴性斜率的量度。（R25乙= 10kΩ，β K）。

自加熱

熱敏電阻是一種電阻器，就像任何電阻器一樣，只要電流通過它，它就會產生熱能。熱能導致NTC熱敏電阻的電阻降低，然后指示溫度略高于環(huán)境溫度。在制造商的數(shù)據(jù)手冊和應用筆記中，通常會有表格、公式和文本詳細說明這種現(xiàn)象。但是，如果通過熱敏電阻的電流保持相對較低，使得自發(fā)熱誤差與所需的測量精度相比很小，則這些可能會在很大程度上被忽略，如本文的設計示例所示。

線性化

NTC熱敏電阻應用于線性化電路時最容易使用。線性化有兩種簡單的技術：電阻模式和電壓模式。

電阻模式

在電阻模式線性化中，普通電阻與NTC熱敏電阻并聯(lián)放置，具有線性化組合電路電阻的作用。如果選擇電阻值等于室溫下熱敏電阻的電阻（R25乙），則相對線性電阻的區(qū)域將在室溫周圍對稱（如圖4所示）。

圖4.通過將一個普通電阻與熱敏電阻并聯(lián)，可以輕松實現(xiàn)電阻模式線性化。如果普通電阻的值與R相同25乙，則電阻與溫度的近線性區(qū)域將在+25°C左右對稱。 （R25乙= 10kΩ，β K）。

請注意，較低的β值在較寬的溫度范圍內產生線性結果，而較高的β值在較窄的溫度范圍內產生更高的靈敏度。等效電阻大約為 R 的 90%25乙在寒冷 （-20°C） 至 R 的 50%25乙在室溫下（+25°C）至大約R的15%25乙在高溫（+70°C）下。

電壓模式

在電壓模式線性化中，NTC熱敏電阻與普通電阻串聯(lián)，形成分壓器電路。分壓器電路采用穩(wěn)壓電源或基準電壓源 V 進行偏置裁判.這會產生隨溫度呈線性的輸出電壓的效果。如果選擇電阻值等于室溫下熱敏電阻的電阻（R25乙），則線性電壓區(qū)域將在室溫周圍對稱（如圖5所示）。

圖5.電壓模式線性化很容易實現(xiàn)，只需將一個普通電阻與熱敏電阻串聯(lián)，然后用一個恒壓源偏置所得的電阻分壓器。如果普通電阻的值與R相同25乙，那么輸出電壓與溫度的關系接近線性的區(qū)域將在+25°C左右對稱。 （R25乙= 10kΩ，β K）。

同樣，請注意，較低的β值在較寬的溫度范圍內產生線性結果，而較高的β值在較窄的溫度范圍內產生更高的靈敏度。輸出電壓從冷 （-20°C） 時的接近 0 伏到房間 （+25°C） 的 VREF/2，再到高溫 （+70°C） 時的接近 VREF。

設計程序

為了產生隨溫度線性變化的穩(wěn)壓輸出電壓，將線性化的熱敏電阻電路施加到穩(wěn)壓器的反饋網絡上。

電阻模式

電阻模式電路是產生溫度相關穩(wěn)壓輸出電壓的最簡單解決方案，因為穩(wěn)壓器反饋網絡幾乎總是由電阻分壓器組成。如圖6所示，線性化熱敏電阻電路與其中一個反饋電阻串聯(lián)放置。在這種情況下，線性化電路與反饋分壓器網絡的頂部電阻串聯(lián)，以在V處產生負溫度系數(shù)輸出電壓外，這是LCD偏置解決方案中通常需要的。（為了產生正溫度系數(shù)輸出，線性化電路將與反饋分壓器的底部電阻R2串聯(lián)。

圖6.電阻模式線性化熱敏電阻電路施加到穩(wěn)壓器的反饋網絡。它基本上取代了普通反饋電阻的一部分 - 該部分取決于穩(wěn)壓器輸出所需的溫度系數(shù)。

設計過程相對簡單。首先從穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)手冊中找到合適的反饋網絡偏置電流i2。它通常在μA的10s到100s范圍內，其確切值有一些緯度。然后將NTC熱敏電阻值計算為：

其中TC是VOUT的負溫度系數(shù)，單位為%/°C。 應調整i2的值，直到R25C成為現(xiàn)成的NTC熱敏電阻值。

為了簡化設計計算，請選擇 R2 和 R1 作為：

其中 VFB是穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)手冊中給出的標稱反饋電壓。

為了更精確的設計計算，i2的最終值最終將略有修改，以使熱敏電阻的β與所需的T相匹配C.因此，計算熱敏電阻在0°C和+50°C時的電阻。 NTC熱敏電阻電阻隨溫度變化的標準公式如下：

然后將兩個溫度下的線性化電阻計算為：

將 R2 和 i2 的值計算為：

最后計算 R1 的值為：

電阻模式設計示例

使用單節(jié)Li+可充電電池運行的系統(tǒng)需要LCD偏置電壓。所需的偏置電壓為 V外室溫下 = 20V，TC= -0.05%/°C。 為此選擇MAX1605穩(wěn)壓器。上述設計公式用于計算所需組件，如下所示：

根據(jù)數(shù)據(jù)表，i2應大于10uA，輸出誤差小于1%;因此，選擇 I2 大約大五倍以減少誤差：

NTC熱敏電阻選擇與R25乙= 20kΩ 和 β = 3965K，并使用一個并聯(lián)的 20kΩ 電阻進行線性化。MAX1605的標稱反饋電壓為VFB= 1.25V。根據(jù)簡化的設計公式，R2和R1的計算公式為：

根據(jù)更精確的設計計算，熱敏電阻在0°C和+50°C時的電阻將為：

0°C和+50°C時的線性化電阻為：

然后，R2、i2 和 R1 的值計算如下：

在這種情況下，這些更準確的值與使用簡化計算獲得的值沒有本質區(qū)別。最終電路如圖7所示。

圖7.NTC熱敏電阻與MAX1605升壓轉換器配合使用，實現(xiàn)文中描述的電阻模式設計示例。

如圖7所示電路的輸出電壓表現(xiàn)出近乎理想的溫度依賴性，如圖8所示。

圖8.圖7所示電路的實際溫度依賴性在大多數(shù)擴展消費溫度范圍內非常接近目標溫度系數(shù)-0.05%/°C。

電壓模式

雖然比電阻模式電路復雜，但電壓模式電路具有一些獨特的優(yōu)點。首先，電壓模式電路提供與溫度相關的模擬電壓，可通過模數(shù)轉換器（ADC）輕松數(shù)字化，以向系統(tǒng)的微處理器提供溫度信息。此外，穩(wěn)壓器的輸出電壓溫度系數(shù)只需改變一個電阻的值即可輕松調節(jié)。這種優(yōu)勢允許在實驗室中進行簡單的試錯設計，對于在生產中容納多源熱敏電阻或LCD面板也非常有價值。

如圖9所示，線性化熱敏電阻電路通過基準電壓偏置，以產生與溫度相關的電壓VTEMP。然后，VTEMP通過電阻R3匯總到反饋節(jié)點中，R3設置溫度依賴性的增益。為了使VTEMP不需要緩沖，熱敏電阻的標稱電阻應保持在遠低于R3的水平。如圖9所示，該穩(wěn)壓器在VOUT處表現(xiàn)出負溫度系數(shù)輸出電壓，這是LCD偏置解決方案中通常要求的。（要創(chuàng)建正溫度系數(shù)輸出，R和Rt的位置應顛倒。

圖9.電壓模式線性化熱敏電阻電路施加到穩(wěn)壓器的反饋網絡。它實質上是將當前的 i3 添加到反饋節(jié)點中，使得 i1 = i2 + i3。如果 V裁判是兩倍 VFB，則 i3 在 25C 時為零，R1 和 R2 按照穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)手冊中的正常描述進行計算，并且只需縮放 R3 即可調整溫度依賴性。此外，V臨時主機系統(tǒng)可通過模數(shù)轉換器采集。

雖然不是強制性的，但圖 9 最簡單的實現(xiàn)是當 VREF = 2xVfb 時。（方便的是，許多穩(wěn)壓器的VFB = 1.25V，許多基準電壓源的VREF = 2.5V，許多ADC的輸入電壓范圍為0至2.5V。當 VREF = 2xVfb 時，VTEMP 在 +25°C 時等于 VFB，i3 等于零。這允許R1和R2將標稱輸出電壓設置為+25°C，與R3和熱敏電阻無關。根據(jù)穩(wěn)壓器數(shù)據(jù)手冊中的建議選擇R2。然后將 R1 和 i2 計算為：

然后將 R3 的近似值計算為：

其中 TC是V的負溫度系數(shù)外以%/°C為單位。 （R3的這個值足以簡化設計計算，以后可以通過實驗室實驗進行調整。然后，為了避免在V之間需要一個緩沖放大器。臨時和R3，選擇標稱熱敏電阻值為：

為了更準確地計算，R3的最終值最終將略有修改，以使熱敏電阻的β與所需的T相匹配C.為此，首先計算熱敏電阻在0°C和+50°C時的電阻。 NTC熱敏電阻電阻隨溫度變化的標準公式如下：

然后計算兩個溫度下的線性電壓VTEMP：

R3 更準確的值最終給出為：

電壓模式設計示例

使用Li+電池運行的系統(tǒng)需要LCD偏置電壓。室溫下所需的偏置電壓為 VOUT = 20V，TC = -0.05%/°C。 選擇MAX629穩(wěn)壓器是因為它具有基準電壓輸出，可用于偏置熱敏電阻線性化網絡。電壓模式設計公式用于計算所需組件，如下所示：

根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，R2應在10kΩ至200kΩ和V范圍內FB= 1.25V;因此：

R3 的近似值為：

熱敏電阻的標稱電阻應保持在46.9kΩ以下。因此，選擇R25C = 20kΩ和β = 3965K的NTC熱敏電阻，并使用串聯(lián)20kΩ電阻和VREF = 2.5V偏置進行線性化。

根據(jù)更精確的設計計算，熱敏電阻在0°C和+50°C時的電阻將為：

0°C和+50°C時的線性化電壓為：

然后計算 R3 的新值為：

在這種情況下，更精確的R3值與使用簡化計算獲得的值沒有實質性差異，應選擇最接近的標準電阻值。

VREF ≠ 2xVfb 時的設計示例

在上面的電壓模式設計示例中，如果系統(tǒng)中還沒有VREF = 2.5V電源，則添加一個電源可能成本過高。幸運的是，任何調節(jié)電壓就足夠了。本例采用MAX629的REF引腳，VREF' = 1.25V。與上面的例子相比，VTEMP現(xiàn)在的變化范圍將超過一半;因此，R3必須減半至R3' = 475kΩ，以保持TC = -0.05%/°C的相同輸出電壓溫度系數(shù)。 此外，建議將熱敏電阻值和線性化電阻值減小至R = R25C = 10kΩ。此外，由于VTEMP在25°C時低于VFB，i3將不為零，穩(wěn)壓器的輸出電壓將略高于預期：

要消除這種情況，請將R1從375kΩ降低到：

最終電路如圖10所示。

圖 10.NTC熱敏電阻與MAX629升壓轉換器配合使用，實現(xiàn)文中描述的VREF ≠2xVfb電壓模式設計示例。選擇MAX629是因為其REF引腳可用于偏置熱敏電阻線性化電路。

圖10所示電路的輸出電壓表現(xiàn)出近乎理想的溫度依賴性，如圖11所示。

圖 11.圖10所示電路的實際溫度依賴性在大多數(shù)擴展消費溫度范圍內非常接近目標溫度系數(shù)-0.05%/°C。

審核編輯：郭婷