為系統(tǒng)測量和保護選擇溫度傳感器

摘要：對于那些想要測量系統(tǒng)中溫度的設計師來說，有多種技術可供選用。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的優(yōu)勢及劣勢。本文對當前幾種最常用的溫度傳感器技術進行比較，并討論其在監(jiān)視PCB、環(huán)境空氣及高功率電路(如CPU、FPGA等)等常見目標上的適用性。

溫度傳感技術

傳感器通常用來在電子系統(tǒng)中監(jiān)視溫度，并提供保護，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。

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產(chǎn)生一個與溫度近似成比例的電壓。其特點包括：寬溫度范圍(高達1250°C)、低成本、極低輸出電壓(對于K型，可低至40µV/°C量級)、適當?shù)木€性及中等復雜的信號調(diào)理(冷端補償及放大)。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，從而可簡化設計，并極大地減少信號放大、冷端補償、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)。其特點包括：寬溫度范圍(可高達750°C)、出色的精度及可重復性、適度的線性、以及需要進行信號調(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。

熱敏電阻實際上是一種溫度效應電阻，通常由電導型材料燒結而成。最常見的熱敏電阻為負溫度系數(shù)(NTC)電阻。其特點包括：適當?shù)臏囟确秶?可達150°C)、中低成本(取決于精度)、較差但可預知的線性度以及需要進行適度的信號調(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。其特點包括：適當?shù)臏囟确秶?大約150°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，須先從了解待測量溫度的目標的特點及要求開始。以下列出一些常見的溫度測量目標，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相當精確且提供高可重復性測量，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，則熱敏電阻可相當便宜；但精密熱敏電阻卻比較貴。如果采用線性化計算或查找表格，則將顯著地增加系統(tǒng)成本及復雜性。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、設計復雜性及性能等方面優(yōu)于其他類型的傳感器技術。

精確地測量PCB溫度的一個關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行補償。當傳感器位置成為關鍵因素時，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。當需要將傳感器安裝在電噪聲很強或遠離其他溫度相關電路的位置上時，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