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(shè)計師來說，有多種技術(shù)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(yīng)的優(yōu)勢及劣勢。本文對當(dāng)前幾種最常用的溫度傳感器技術(shù)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(biāo)上的適用性。

溫度傳感技術(shù)

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(shù)。

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(dá)1250°C)、低成本、極低輸出電壓(對于K型，可低至40µV/°C量級)、適當(dāng)?shù)木€性及中等復(fù)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(shè)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(dá)750°C)、出色的精度及可重復(fù)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(yīng)電阻，通常由電導(dǎo)型材料燒結(jié)而成。最常見的熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻。其特點包括：適當(dāng)?shù)臏囟确秶?可達(dá)150°C)、中低成本(取決于精度)、較差但可預(yù)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(dāng)?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(shù)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(shù)，須先從了解待測量溫度的目標(biāo)的特點及要求開始。以下列出一些常見的溫度測量目標(biāo)，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(dāng)精確且提供高可重復(fù)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(yù)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(dāng)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(fù)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(shè)計復(fù)雜性及性能等方面優(yōu)于其他類型的傳感器技術(shù)。

精確地測量PCB溫度的一個關(guān)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(dāng)傳感器位置成為關(guān)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(dāng)需要將傳感器安裝在電噪聲很強或遠(yuǎn)離其他溫度相關(guān)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