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温度传感技术

传感器通常用来在电子系统中监视温度,并提供保护,以免产生过度的温度偏移。下面我们列出几种在电子系统中最常用的温度传感器技术。

热电偶由两根不同的金属线连在一起形成,金属线之间的连接点产生一个与温度近似成比例的电压。其特点包括:宽温度范围(高达1250°C)、低成本、极低输出电压(对于K型,可低至40µV/°C量级)、适当的线性及中等复杂的信号调理(冷端补偿及放大)。有几种不同的热电偶类型,分别用字母来表示。最常见的是K型。由Maxim制造的IC (MAX6674及MAX6675)具有调整K型热电偶信号的功能,从而可简化设计,并极大地减少信号放大、冷端补偿、输出量化所需的器件数量。热电偶可采用带有裸露引线的探针形式。

RTD实际上是一种阻值随温度变化的电阻(通常用铂金线制成)。其特点包括:宽温度范围(可高达750°C)、出色的精度及可重复性、适度的线性、以及需要进行信号调理等。RTD信号调理电路通常由精密电流源及高分辨率ADC组成,因此成本可能较高。RTD可采用探针形式及表面贴装封装,并带裸露引线。

热敏电阻实际上是一种温度效应电阻,通常由电导型材料烧结而成。最常见的热敏电阻为负温度系数(NTC)电阻。其特点包括:适当的温度范围(可达150°C)、中低成本(取决于精度)、较差但可预知的线性度以及需要进行适度的信号调理等。热敏电阻可采用探针形式以及带裸露引线的表面贴装封装,或其他类型的特殊封装。由Maxim提供的IC可将热敏电阻阻值转换成数字形式。

IC温度传感器实际上是一种带模拟或数字输出并完全基于硅的温度传感电路。其特点包括:适当的温度范围(大约150°C)、低成本、出色的线性以及很多附加功能例如信号调理、比较器及数字接口等。具有多种数字输出方式,包括3线与4线(如SPI™)、2线(如I²C及SMBus™)及单线(如1-Wire®、PWM、频率及周期等)等多种类型。请注意,信号调理、模数转换及恒温器等功能全都会增加其他类型温度传感技术的成本,但温度传感器IC却通常已经包含有这些功能。IC温度传感器主要采用表贴封装。

为系统测量选择合适的温度传感器

选择正确的传感器技术,须先从了解待测量温度的目标的特点及要求开始。以下列出一些常见的温度测量目标,并将其汇总于表1中。

PCB
表面贴装传感器最适用于PCB温度测量。RTD、热敏电阻及IC传感器等均可采用表面贴装封装,且其温度范围与待测PCB的温度相兼容。RTD相当精确且提供高可重复性测量,但与热敏电阻及IC相比,其价格较高。热敏电阻的线性很差,但其非线性可以预测。如果只在一个较窄的温度范围内使用时,通常只需用一至两个外接电阻即可将其很好地线性化。如果精度不重要,则热敏电阻可相当便宜;但精密热敏电阻却比较贵。如果采用线性化计算或查找表格,则将显著地增加系统成本及复杂性。IC通常拥有出色的线性和附加功能,例如数字接口或恒温器等功能。在测量PCB温度时,这些特性通常使其在系统成本、设计复杂性及性能等方面优于其他类型的传感器技术。

精确地测量PCB温度的一个关键因素是须将传感器定位在正确的位置上。通常需要测量特定器件或器件组的温度,以保证温度不超出安全工作范围,或者对由温度引起的器件性能变化进行补偿。当传感器位置成为关键因素时,选用小封装传感器比较有利,如SOT23,无需改变PCB布局即很容易将其安装在合适的位置上。当需要将传感器安装在电噪声很强或远离其他温度相关电路的位置上时,数字输出很有用。

环境空气
环境空气的温度比较难测量,因为传感器的温度必须反映空气的温度,但是由于与其他部件(PCB、电源及CPU等)相隔离,它们可能处于不同的温度。热敏电阻、热电偶及RTD一般都采用可将传感元件与PCB温度隔开的长引线,如果引线足够长,则传感元件将和环境处于同一温度,而引线则与可能处于不同温度的PCB相连。IC传感器通常很难用来测量环境温度,因其最佳传热通道是与PCB处于同一温度的引线。如果PCB不具有和环境相同的温度(例如,如果它装有功耗足以升高电路板温度的器件),则IC即不可能测量环境温度。请注意,即使采用可使IC传感器高于PCB的传统IC封装,例如TO92,由于引线的导热能力非常好,因而测出的温度实际上仍然是PCB的温度。但由于它们具有数字输出及恒温器等其他功能,IC传感器有时还是被用来测量环境空气的温度。这通常是将其安装在一个与环境同温的小型“卫星” PCB上来实现的。IC也能用来对其他类型传感器的测量信号进行调理,其中包括用于RTD的ADC及放大器、热敏电阻至数字转换器(如MAX6691)以及热电偶至数字转换器(如MAX6675)等(图1)。

图1. 采用热电偶测量环境温度,MAX6675提供冷端补偿,并将热电偶输出转换成数字形式。


图1. 采用热电偶测量环境温度,MAX6675提供冷端补偿,并将热电偶输出转换成数字形式。

CPU、图形处理器、FPGA、功率器件、模块等等
高功率器件的温度通常可用靠近或位于器件下面的表面贴装传感器(热敏电阻、IC或RTD等)来测量。如果无法实现,或者如果器件上装有散热片或具有其他一些需要测量温度的表面,则可将带有长引线的传感器(如热电偶、RTD及热敏电阻等)安装在与被测表面相接触的位置上。如果被测温度可能超过150°C,则热电偶或RTD为最佳选择。如果被测温度可能接近或高于750°C,则热电偶为唯一选择。

CPU、图形处理器、FPGA、功率器件、模块等等(带片上热二极管)
有些器件,尤其像CPU、图形处理器(GPU)及FPGA等高性能IC,它们包含有用于测量温度的、连接为二极管形式的双极型晶体管。由于热感应晶体管就位于IC晶片上,因此其温度测量精度远高于其他温度传感技术,而且热时间常数也相当小。

Maxim提供几种专门设计用来精确测量热二极管温度并将其直接转换成数字形式的IC。在这些IC中,其中一些可测量一个热二极管,而有些则能同时测量多达4个热二极管。虽然热二极管的输出信号电平很小(可低至200µV/°C量级),但仍大于热电偶的输出信号电平。内部及外部滤波,再加上合理的电路布局,使得远端二极管温度传感器能够被广泛用于具有很强电气噪声的设备中,例如计算机、服务器及工作站等。这些IC中的大多数都能提供其他功能来保护目标IC,例如过温告警引脚,如果温度超过目标的安全工作极限,则能用它来关断系统。图2给出了远端二极管温度传感器(MAX6642)的一个例子。这种IC可测量热二极管和其自身的温度,测量上限可高达150°C,同时还提供过温告警输出,触发温度可通过SMBus编程。

图2. MAX6642为世界上尺寸最小的远端温度传感器。它的ALERT引脚可作为一路中断使用,或作为系统关断信号,以防目标IC因过热而损坏。


图2. MAX6642为世界上尺寸最小的远端温度传感器。它的ALERT引脚可作为一路中断使用,或作为系统关断信号,以防目标IC因过热而损坏。

结论

有多种不同的温度传感技术摆在系统设计者的面前。可根据被测目标温度或其他系统要求如成本、电路尺寸及设计时间等来选择适当的温度传感技术。Maxim公司提供选择面很宽的各种温度传感IC,可帮助设计师以优异的性能和很低的综合成本解决各种常见的温度测量问题。

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