熱管理設(shè)計(jì)中的溫度檢測

　　摘要：熱管理始于溫度測量，Maxim開發(fā)了各種用于這種測量的溫度檢測IC。除了不同類型的傳感器IC外，電子系統(tǒng)還可以采用其它多項(xiàng)技術(shù)測量溫度。本文簡要介紹了熱管理應(yīng)用中溫度檢測方法。

　　關(guān)鍵詞：熱管理;溫度傳感器;遠(yuǎn)端溫度傳感器;數(shù)字溫度傳感器;模擬溫度傳感器檢測位置：正確選擇傳感器的關(guān)鍵

　　使用溫度傳感器的第一步是根據(jù)具體應(yīng)用正確選擇傳感器類型。首先，理解需要測量的目標(biāo)溫度。

　　檢測PCB溫度

　　表貼傳感器非常適合PCB(印制電路板)測溫。RTD(電阻溫度檢測器)、熱敏電阻和IC(集成電路)傳感器都提供表貼封裝，而且溫度范圍適合于PCB的溫度檢測。由于IC傳感器所固有的線性度高、成本低等特性，通常是這類應(yīng)用的最佳選擇。IC傳感器還可提供其它功能，例如：數(shù)字接口或溫度監(jiān)控功能。相對(duì)于其他技術(shù)而言，這些功能使其在系統(tǒng)成本、設(shè)計(jì)復(fù)雜度和性能方面占據(jù)很大優(yōu)勢。

　　精確測量PCB溫度的關(guān)鍵之一是把傳感器置于正確的位置。多數(shù)情況是關(guān)注某個(gè)特定器件或器件組的溫度測量，以確保溫度不超出安全工作范圍，或者是補(bǔ)償由于溫度引起的器件性能的變化。如果傳感器的位置非常敏感，最好使用小尺寸封裝的溫度傳感器，例如TDFN、SC70或SOT23封裝，可以很容易地把傳感器置于合適位置。需要將傳感器置于嘈雜或遠(yuǎn)離其它溫度相關(guān)電路時(shí)，最好選擇數(shù)字輸出的溫度傳感器。如果需要監(jiān)測PCB多個(gè)位置的溫度，帶有I2C、SMBus或1-Wire接口的本地?cái)?shù)字溫度傳感器不失為最佳選擇，可以將具有不同從地址的器件掛接到同一總線。許多常見的I2C傳感器提供設(shè)置不同從地址的輸入。例如，MAX7500和DS75LX都帶有3個(gè)地址輸入。

　　另一種監(jiān)測多個(gè)PCB位置的方法是采用帶有分立晶體管溫度檢測的多通道遠(yuǎn)端溫度傳感器。圖1所示提供了一個(gè)示例，其中MAX6697監(jiān)測其內(nèi)部溫度，并利用分立晶體管監(jiān)測6路外部溫度，總共可監(jiān)測7個(gè)溫度點(diǎn)，而僅需單個(gè)I2C從地址。

　　檢測環(huán)境溫度

　　由于傳感器的溫度必須與空氣溫度相同，并且與其它不同溫度的所有部件(PCB、電源、CPU)相隔離，因此，測量環(huán)境溫度比較困難。熱敏電阻、熱電偶和RTD可帶有長引線，如果引線足夠長且足夠細(xì)，即可幫助檢測元件與PCB之間的隔熱。如果檢測元件與PCB具有足夠的隔離，其溫度將為環(huán)境溫度。這三種類型的傳感器中，由于熱敏電阻成本低、信號(hào)調(diào)理要求簡單，被廣泛用于通用的環(huán)境溫度檢測。圖2所示為如何利用熱敏電阻、熱電偶或RTD測量環(huán)境溫度的示例。圖中，熱敏電阻與電路板的表面具有很好隔離，長引線有助于提供與電路板的隔熱。

　　由于IC傳感器的最佳導(dǎo)熱通路是與電路板具有相同溫度的引腳，使用表貼封裝的溫度傳感器IC測量環(huán)境溫度將更加困難。如果PCB處于測溫環(huán)境內(nèi)，安裝在PCB上的傳感器即可用來測量環(huán)境溫度。但是，如果PCB上的元件耗散功率過大，溫度將高于環(huán)境溫度，IC測量的溫度是升高后的PCB溫度，而不是環(huán)境溫度。注意，即使采用傳統(tǒng)封裝，例如TO92，IC傳感器的位置在PCB的上方，也會(huì)通過引腳傳導(dǎo)熱量，測得的溫度實(shí)際等于PCB溫度。圖3所示為板裝TO92封裝的溫度傳感器IC。板裝傳感器能很好地測量PCB溫度，但不適合用于測量環(huán)境溫度。

　　盡管容易受PCB溫度的影響，傳感器IC依然是測量空氣溫度的最佳方案，因?yàn)樗鼈儾粌H僅是傳感器——往往還提供更多其它功能，例如：數(shù)字輸出、可尋址能力或溫度監(jiān)控功能。在使用TO92封裝IC檢測環(huán)境溫度時(shí)，請使用雙絞線將傳感器與PCB隔離開。與使用熱敏電阻一樣，如果引線足夠長且足夠細(xì)，可實(shí)現(xiàn)足夠的隔熱，從而獲得準(zhǔn)確的環(huán)境溫度讀數(shù)。圖4所示是按照這種方式使用TO92傳感器的示例，采用Maxim的1-Wire接口數(shù)字溫度傳感器。二極管溫度傳感器亦可用來測量環(huán)境溫度。這種情況下，可以把分立晶體管安裝在雙絞線的末端。Maxim的任何遠(yuǎn)端二極管傳感器均可用來測量晶體管溫度。

　　CPU、圖形處理器、FPGA、ASIC、功率器件的溫度檢測

　　如遠(yuǎn)端數(shù)字溫度傳感器部分所述，有些元件，尤其是高性能IC，例如CPU、GPU和FPGA，都有一個(gè)雙極型晶體管，用于溫度測量。該晶體管通常采用集電極接地的PNP管?；鶚O和發(fā)射極構(gòu)成“二極管”連接。由于測溫晶體管位于IC管芯，測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他技術(shù)，而且導(dǎo)熱時(shí)間常數(shù)相當(dāng)小。Maxim的遠(yuǎn)端二極管傳感器專門優(yōu)化用于此類器件的溫度監(jiān)測。注意，不同IC的溫度測量二極管的理想因子和串聯(lián)電阻會(huì)有所不同。這些差異的影響在遠(yuǎn)端二極管傳感器應(yīng)用指南部分進(jìn)行了說明。