貼片NTC熱敏電阻在5G電子設(shè)備中的應(yīng)用

熱敏電阻器（Thermistor）是一種電阻值對(duì)溫度極為靈敏的半導(dǎo)體元件，溫度系數(shù)可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻PTC和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻NTC。

NTC熱敏電阻用于溫度測(cè)量，溫度控制，溫度補(bǔ)償?shù)?，稱為溫度傳感器。

PTC熱敏電阻用于溫度的測(cè)量與控制，還可用作加熱元件，同時(shí)起到“開關(guān)”的作用，兼有靈敏元件，加熱器和開關(guān)三種功能，稱為“熱敏開關(guān)”。

NTC熱敏電阻指負(fù)溫度系數(shù)，是指著溫度的升高，其阻值明顯減小，又簡(jiǎn)稱為NTC。利用該特性，NTC元件在小家電中常用于軟啟動(dòng)和自動(dòng)檢測(cè)及控制電路等。

PTC熱敏電阻指正溫度系數(shù)，是指著溫度的升高，其阻值明顯增大，又簡(jiǎn)稱為PTC。利用該特性，正溫度系數(shù)熱敏電阻多用于自動(dòng)控制電路。
隨著5G技術(shù)在各種設(shè)備被廣泛應(yīng)用，5G時(shí)代終于真正到來。5G區(qū)別于早期的2G、3G和4G移動(dòng)通信的關(guān)鍵是：

1.通信速度、處理信息量、連接能力等大幅度提高，以滿足高清圖像、視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)等大數(shù)據(jù)量傳輸和自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)通信等實(shí)時(shí)應(yīng)用；

2.連續(xù)廣域覆蓋和高移動(dòng)性下，用戶體驗(yàn)速率達(dá)到100Mbit/s。

3.系統(tǒng)協(xié)同化，智能化水平提升，表現(xiàn)為多用戶，多點(diǎn)，多天線，多攝取的協(xié)同組網(wǎng)，以及網(wǎng)絡(luò)間靈活地自動(dòng)調(diào)整。

以上特點(diǎn)都使得5G設(shè)備中相關(guān)部件的負(fù)載增加，發(fā)熱源也增加，多個(gè)發(fā)熱源間還會(huì)相互影響傳熱，以往對(duì)單一發(fā)熱源采取的措施，可能并不適用于同時(shí)處理5G電子設(shè)備中多個(gè)功能熱點(diǎn)的狀態(tài)。

基于上述背景，監(jiān)測(cè)基板上多個(gè)功能熱點(diǎn)的溫度，并根據(jù)電子設(shè)備的復(fù)雜功能去控制作為發(fā)熱源部件性能變得尤為重要。

比如，當(dāng)CPU加載很大的應(yīng)用程序時(shí)，初始階段溫度較低以全功率運(yùn)行。若CPU溫度升高，則性能會(huì)降低，且不能超過閾值溫度控制。此時(shí)，若向CPU供電的電源部分的發(fā)熱很大，且CPU能夠接收到來自電源部件的發(fā)熱，則CPU的溫度可能急劇上升。要同時(shí)考慮CPU周圍和電源IC周圍的溫度，就有必要更精細(xì)地控制每個(gè)器件的性能。

在基板上對(duì)器件進(jìn)行溫度控制的同時(shí)，還需注意的是：由于發(fā)熱器件持續(xù)產(chǎn)生熱量，可能需要最終的過熱保護(hù)——例如顯示警告或切換至關(guān)閉狀態(tài)等。

基板上需要考慮每個(gè)發(fā)熱源和IC、模塊的內(nèi)部溫度，還需要考慮彼此的熱交換和放置電子設(shè)備的周圍環(huán)境的溫度變化。只有監(jiān)控發(fā)熱源周圍的溫度，才可進(jìn)行上述提到的溫度管理。

貼片NTC熱敏電阻因和相同EIA尺寸標(biāo)準(zhǔn)的片式電阻、電容、電感等一樣適合表面貼裝，配置自由度極高，占用空間小，能以簡(jiǎn)單的電路得到預(yù)期的精度，因此貼片NTC熱敏電阻非常適合作為溫度傳感器放在基板上要測(cè)量的位置，來實(shí)現(xiàn)對(duì)基板的溫度監(jiān)控。

圖1. 貼片NTC熱敏電阻產(chǎn)品圖

貼片NTC熱敏電阻檢測(cè)電路

下圖是使用了貼片NTC熱敏電阻的溫度檢測(cè)電路的例子。

圖2. 貼片NTC熱敏電阻溫度檢測(cè)電路實(shí)例
將貼片NTC熱敏電阻和貼片電阻串聯(lián)，施加恒定電壓。這時(shí)的分壓與貼片NTC熱敏電阻的溫度的關(guān)系如圖3所示。

圖3. 分壓電壓(Vout)的溫度特性
在較寬的溫度范圍內(nèi)可以獲得非常大的電壓變化，這種電壓變化作為溫度信息來處理。從而在溫度超出閾值時(shí)發(fā)出警示。

值得注意的是，圖2中電壓變化很大，但在AD轉(zhuǎn)換器(ADC)之前卻沒有使用放大器。不限于溫度傳感器，通常來自電子裝置中使用的傳感器的信號(hào)非常微弱，并且需要一些信號(hào)放大器。而貼片NTC熱敏電阻是少數(shù)不需要放大器的傳感器。

這里考慮一下ADC的分辨率。如圖2所示，假設(shè)施加至貼片NTC熱敏電阻的電壓與向微機(jī)內(nèi)的ADC供給的電壓相同，并且ADC的輸入范圍為0V~3V。如果ADC的分辨率為10位，則量化單元(LSB: Least Significant Bit) 變?yōu)榇蠹s3mV。

另外，在與圖3相同的溫度范圍，即-20℃～+85℃下，能夠得到的單位溫度的電壓變化(增益)如圖4所示。即使在增益最小的溫度范圍的上限和下限，也可以獲得約10 mV/℃的增益。此時(shí)，1LSB相當(dāng)于約0.3℃。即使安裝在微型計(jì)算機(jī)中的10位ADC也可以預(yù)期約0.3℃的溫度分辨率。當(dāng)然，在室溫附近存在30mV/℃以上的增益，因此1LSB為0.1℃以下。

圖4. 單位溫度的電壓變化增益)

使用配備有微型計(jì)算機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)ADC，可以通過簡(jiǎn)單的電路輕松形成溫度檢測(cè)電路。這是貼片NTC熱敏電阻廣泛用于電子設(shè)備溫度檢測(cè)的主要原因。

簡(jiǎn)單電路&高精度溫度測(cè)定

那么，使用普通貼片NTC熱敏電阻和電阻的溫度測(cè)量精度是多少？

再看一下圖3。該圖是使用電阻值公差±1%的貼片NTC熱敏電阻和貼片電阻時(shí)的電壓溫度特性。對(duì)得到的電壓的中心值和細(xì)線根據(jù)部件的最大公差等計(jì)算的電壓的上下限值進(jìn)行繪圖。由于幾乎看不到差，因此，將中心值為零時(shí)的上下限值換算為溫度的圖表如圖5所示。

圖5. 對(duì)圖3中Vout誤差溫度進(jìn)行換算

結(jié)果顯示，在+60℃下產(chǎn)生約±1℃的誤差，在+85℃下產(chǎn)生約±1.5℃的誤差。為了監(jiān)測(cè)電子設(shè)備內(nèi)部的溫度，例如基板溫度，可以預(yù)期足夠可靠的溫度測(cè)量精度。

使用簡(jiǎn)單的元器件和電路就可以實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量，貼片NTC熱敏電阻的高性價(jià)比也就不言而喻了。

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審核編輯：湯梓紅