工程師溫度傳感指南—溫度傳感器設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和解決方案，從熱敏電阻到多通道遠(yuǎn)程傳感器IC①

—— 言，目錄；溫度傳感基本原理；系統(tǒng)溫度檢測(cè)

作者：TI(德州儀器) 時(shí)間：2020-01-25 來源：電子產(chǎn)品世界

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本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202001/409503.htm

第 1 章：溫度傳感基本原理(√）

第 2 章：系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)（√）

第 2.1 節(jié): 如何監(jiān)測(cè)電路板溫度

第 2.2 節(jié): 高性能處理器模溫監(jiān)測(cè)

第 3 章：環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)

第 3.1 節(jié): 精確測(cè)量環(huán)境溫度的布局注意事項(xiàng)

第 3.2 節(jié): 通過可擴(kuò)展的溫度傳感器實(shí)現(xiàn)高效的冷鏈管理

第 4 章：體溫監(jiān)測(cè) 可穿戴式溫度傳感的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

第 5 章：流體溫度監(jiān)測(cè) 使用數(shù)字溫度傳感器在熱量計(jì)中替代 RTD

第 6 章：閾值檢測(cè) 如何避免控制系統(tǒng)遭受熱損壞

第 7 章：溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)

第 7.1 節(jié): 使用高精度溫度傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償

第 7.2 節(jié): 校準(zhǔn)熱監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的方法

前言：編輯的消息

編者的話

在個(gè)人電子產(chǎn)品、工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用的設(shè)計(jì)中，工程師必須應(yīng)對(duì)同樣的挑戰(zhàn)，即如何提升性能、增加功能并縮小尺寸。除了這些考慮因素外，他們還必須仔細(xì)監(jiān)測(cè)溫度以確保安全并保護(hù)系統(tǒng)和消費(fèi)者免受傷害。

眾多行業(yè)的另一個(gè)共同趨勢(shì)是需要處理來自更多傳感器的更多數(shù)據(jù)，進(jìn)一步說明了溫度測(cè)量的重要性：不僅要測(cè) 量系統(tǒng)或環(huán)境條件，還要補(bǔ)償其他溫度敏感元件，從而確保傳感器和系統(tǒng)的精度。另外一個(gè)好處在于，有了精確的溫度監(jiān)測(cè)，無需再對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行過度設(shè)計(jì)來補(bǔ)償不準(zhǔn)確的溫度測(cè)量，從而可以提高系統(tǒng)性能并降低成本。

溫度設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分為三類：

? 溫度監(jiān)測(cè)：溫度傳感器提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)來持續(xù)跟蹤溫度條件，并為控制系統(tǒng)提供反饋。此監(jiān)測(cè)可以是系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)或環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)。在一些應(yīng)用中，我們可以看到設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的特點(diǎn)是需要在控制回路中同時(shí) 實(shí)現(xiàn)這兩種監(jiān)測(cè)。這些監(jiān)測(cè)包括系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)、環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)以及身體或流體溫度監(jiān)測(cè)。

? 溫度保護(hù)：在多種應(yīng)用中，一旦系統(tǒng)超過或低于功能溫度閾值，便需要采取措施。溫度傳感器在檢測(cè)到事先定義的條件時(shí)提供輸出警報(bào)以防止系統(tǒng)損壞。在不影響系統(tǒng)可靠性的情況下提升處理器吞吐量是可行的。系統(tǒng)經(jīng)常過早啟動(dòng)安全熱關(guān)斷，結(jié)果造成高達(dá) 5°C 甚至 10°C 的性能損失。當(dāng)系統(tǒng)超過或低于功能溫度閾值時(shí)，工程師可以自主啟動(dòng)實(shí)時(shí)保護(hù)措施。

? 溫度補(bǔ)償：溫度傳感器可以在正常工作期間隨溫度變化最大限度提高系統(tǒng)性能。監(jiān)測(cè)和校正其他關(guān)鍵組件在發(fā)熱和冷卻時(shí)的溫漂可降低系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。本電子書將提供一些 TI 應(yīng)用簡介，由此說明使用不同溫度傳感技術(shù)的各種應(yīng)用的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。書中的章節(jié)首先介紹主要的溫度挑戰(zhàn)，然后重點(diǎn)說明各種應(yīng)用的設(shè)計(jì) 注意事項(xiàng)，評(píng)估溫度精度和應(yīng)用尺寸之間的權(quán)衡，同時(shí)討論傳感器放置方法。

第1章:溫度傳感基本原理

簡介

在嵌入式系統(tǒng)中，總是需要更高的性能、更多的功能和更小的外形尺寸。鑒于這種需求，設(shè)計(jì)人員必須監(jiān)測(cè)整體溫度以確保安全并保護(hù)系統(tǒng)。在應(yīng)用中集成更多傳感器進(jìn) 一步推動(dòng)了對(duì)溫度測(cè)量的需求，不僅要測(cè)量系統(tǒng)條件或環(huán)境條件，還要補(bǔ)償溫度敏感元件并保持整體系統(tǒng)精度。

溫度設(shè)計(jì)注意事項(xiàng) 實(shí)現(xiàn)高效溫度監(jiān)測(cè)和保護(hù)的注意事項(xiàng)包括：

? 精度。傳感器精度表示溫度與真實(shí)值的接近程度。在確定精度時(shí)，必須考慮所有因素，包括采集電路以及整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的線性度。

? 尺寸。傳感器的尺寸會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，而分析整個(gè)電路有助于實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的設(shè)計(jì)。傳感器尺寸還決定了熱響應(yīng)時(shí)間，這對(duì)于體溫監(jiān)測(cè)等應(yīng)用非常重要。

? 傳感器放置。傳感器的封裝和放置會(huì)影響響應(yīng)時(shí)間和傳導(dǎo)路徑；這兩個(gè)因素都對(duì)高效溫度設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

工業(yè)中常見的溫度傳感器技術(shù)包括集成電路 (IC) 傳感器、熱敏電阻、RTD 和熱電偶。表 1 比較了在為設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)評(píng)選適合的技術(shù)時(shí)參考的主要特性。

IC 傳感器

IC 溫度傳感器取決于硅帶隙的預(yù)測(cè)溫度依賴性。如圖 1 和公式 1 所示，精密電流為內(nèi)部正向偏置 P-N 結(jié)提供電源，從而產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于器件溫度的基極-發(fā)射極電壓變化。

圖 1.硅帶隙的溫度依賴性。

等式1：溫度依賴性硅帶隙公式。

(ΔVBE)。鑒于硅的可預(yù)測(cè)行為，IC 可在寬泛的溫度范圍內(nèi)提供高線性度和精度（高達(dá) ±0.1°C）。這些傳感器可以集成系統(tǒng)功能，例如模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 或比較器，最終可以降低系統(tǒng)復(fù)雜性并減小整體占用空間。這些傳感器通常采用表面貼裝和穿孔封裝技術(shù)。

表1. 比較溫度傳感技術(shù)。

熱敏電阻

熱敏電阻是無源組件，其電阻很大程度上取決于溫度。熱敏電阻分為兩類：正溫度系數(shù) (PTC) 和負(fù)溫度系數(shù) (NTC)。

雖然熱敏電阻針對(duì)板載和非板載溫度傳感方式提供了多種封裝選擇，但與 IC 傳感器相比，其實(shí)現(xiàn)方案通常需要更多的系統(tǒng)組件。硅基 PTC 熱敏電阻具有線性特征，而 NTC 熱敏電阻具有非線性特征，通常會(huì)增加校準(zhǔn)成本和軟件開銷。

圖 2 顯示了典型的熱敏電阻實(shí)現(xiàn)方案。通常很難確定熱敏電阻的真實(shí)系統(tǒng)精度。NTC 系統(tǒng)誤差的影響因素包括 NTC 容差、偏置電阻器（易受溫漂影響）、ADC（可能導(dǎo)致量化誤差）、NTC 固有的線性化誤差以及基準(zhǔn)電壓。

RTD

RTD 是由鉑、鎳或銅等純凈材質(zhì)制成的溫度傳感器，具有高度可預(yù)測(cè)的電阻/溫度關(guān)系。

鉑 RTD 可在高達(dá) 600°C 的寬泛溫度范圍內(nèi)提供高精度和高線性度。如圖 3 所示，一個(gè)采用模擬傳感器的實(shí)現(xiàn)方案中包括復(fù)雜的電路和設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。最終，為了實(shí)現(xiàn)精確的系統(tǒng)，需要進(jìn)行復(fù)雜的誤差分析，這是因?yàn)楫a(chǎn)生影響的組件數(shù)量較多，而這也會(huì)影響系統(tǒng)的整體尺寸。RTD 還需要在制造期間進(jìn)行校準(zhǔn)，而后每年進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)。

RTD 系統(tǒng)誤差的影響因素包括 RTD 容差、自發(fā)熱、ADC 量化誤差和基準(zhǔn)電壓。

圖 2.典型的熱敏電阻實(shí)現(xiàn)方案。

熱電偶

熱電偶由兩個(gè)不同的電導(dǎo)體組成，這兩個(gè)電導(dǎo)體在不同的溫度下形成電結(jié)。由于熱電塞貝克效應(yīng)，熱電偶產(chǎn)生與溫度相關(guān)的電壓。該電壓轉(zhuǎn)換為熱端和冷端之間的溫差。

必須知道冷端的溫度才能獲得熱端溫度。由于有兩個(gè)系統(tǒng)具有相互影響的單獨(dú)容差和能力，這里的精度將受到限制。圖 4 顯示了一個(gè)典型的 CJC 實(shí)現(xiàn)方案，其中采用熱電偶和外部傳感器來測(cè)定熱端溫度。

熱電偶不需要外部激勵(lì)，因此不會(huì)受到自發(fā)熱問題的影響。它們還支持極端溫度 (>2,000°C)。

雖然熱電偶堅(jiān)固耐用且價(jià)格低廉，但它們卻需要額外的溫度傳感器來支持 CJC。熱電偶往往具有非線性特征，并且對(duì)于熱電偶與電路板連接處的寄生結(jié)非常敏感。

對(duì)熱電偶進(jìn)行數(shù)字化容易受到先前討論的 ADC 誤差的影響。

圖 3.復(fù)雜的四線 RTD 電路。

圖 4.帶有冷端補(bǔ)償 (CJC) 溫度傳感器的熱電偶。

第2章: 系統(tǒng)溫度監(jiān)測(cè)

對(duì)于許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有必要監(jiān)測(cè)高功率組件（處理器、現(xiàn) 場(chǎng)可編程門陣列、場(chǎng)效應(yīng)晶體管）以確保系統(tǒng)和用戶安全。溫度讀數(shù)的精確性非常重要，因?yàn)樗乖O(shè)計(jì)人員能夠在提高性能的同時(shí)保持在安全限制內(nèi)，或者通過避免在其他地方過度設(shè)計(jì)來降低系統(tǒng)成本。德州儀器 (TI) 的緊湊型高精度溫度傳感器產(chǎn)品系列可以更靠近這些關(guān)鍵組件放置，實(shí)現(xiàn)最精確的測(cè)量。

第 2.1 節(jié)

如何監(jiān)測(cè)電路板溫度

簡介

電路中的溫度問題會(huì)影響系統(tǒng)性能并損壞昂貴組件。通過測(cè)量印刷電路板 (PCB) 中存在熱點(diǎn)或高耗電集成電路 (IC) 的區(qū)域的溫度，有助于識(shí)別熱問題，進(jìn)而及時(shí)采取預(yù)防或糾正措施。

您可能希望監(jiān)測(cè)高耗電 IC（例如中央處理單元、專用 IC、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列或數(shù)字信號(hào)處理器）的管芯溫度以動(dòng) 態(tài)調(diào)整其性能，或者可能希望監(jiān)測(cè)功率級(jí)周圍的熱區(qū)，以便控制系統(tǒng)中的風(fēng)扇速度或啟動(dòng)安全系統(tǒng)關(guān)閉程序。

最終目標(biāo)是優(yōu)化性能并保護(hù)昂貴的設(shè)備。圖 1 顯示了高性能計(jì)算機(jī)主板上的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

從 PCB 到溫度傳感器的熱傳遞

本地溫度傳感器測(cè)量它們自己的管芯溫度以確定特定區(qū) 域的溫度。因此，了解管芯與傳感器周圍物體或環(huán)境之間的主要溫度傳導(dǎo)路徑至關(guān)重要。主要通過兩種路徑導(dǎo)熱：通過連接到封裝的管芯連接焊盤 (DAP)（圖 2）或通過封裝引線引腳。DAP（如果存在）提供 PCB 和管芯之間最要的導(dǎo)熱路徑。

如果封裝類型不包含 DAP（圖 3），則引線和引腳提供最主要的導(dǎo)熱路徑。模塑化合物提供額外的導(dǎo)熱路徑，但由于其低導(dǎo)熱性，通過模塑化合物本身進(jìn)行的任何熱傳遞均比通過引線或 DAP 進(jìn)行的熱傳遞更慢。

熱響應(yīng)

封裝類型決定了溫度傳感器對(duì)溫度變化的響應(yīng)速度。圖 4 顯示了用于溫度測(cè)量的不同類別的選定表面貼裝技術(shù) 封裝類型的相對(duì)熱響應(yīng)速率。

不帶模塑化合物的封裝（芯片級(jí)封裝、管芯尺寸球柵陣列封裝）和帶有 DAP 的封裝（四方扁平無引線 [QFN] 封裝、雙邊扁平無引線 [DFN] 封裝）是專為需要從 PCB 快速進(jìn)行熱傳遞的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，而不帶 DAP 的封裝是專為需要較慢響應(yīng)速率的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的?？焖俚臒犴憫?yīng)速率使溫度傳感器能夠快速響應(yīng)任何溫度變化，從而提供準(zhǔn)確的讀數(shù)。

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 — 底部安裝

傳感器位置應(yīng)盡可能靠近要監(jiān)測(cè)的熱源。應(yīng)避免在發(fā)熱 IC 和溫度傳感器之間的 PCB 上穿孔或切口，因?yàn)檫@可能會(huì)減慢或阻止熱響應(yīng)。如果可能，請(qǐng)將溫度監(jiān)測(cè)器安裝在 PCB 底部直接位于熱源下方，如圖 5 所示。T

I 建議使用過孔將熱量從 PCB 的一側(cè)快速傳遞到另一側(cè)，因?yàn)榕c FR-4 相比，過孔具有更好的銅導(dǎo)熱性。可以使用盡可能多的并行過孔或填充式傳導(dǎo)過孔，將熱量從熱源傳遞到溫度監(jiān)測(cè)器，以便在兩個(gè) IC 之間實(shí)現(xiàn)快速熱平衡。帶有 DAP 的 QFN 或 DFN 封裝有助于進(jìn)一步縮短過孔與傳感器管芯之間的熱阻路徑。

設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 — 地層注意事項(xiàng)

如果將溫度傳感器放置在熱源的另一側(cè)是不切實(shí)際或不劃算的做法，請(qǐng)將其放置在盡可能靠近熱源的同一側(cè)，如圖 6 所示。在熱源和溫度監(jiān)測(cè)器之間建立熱平衡的最有效方法是使用地層。應(yīng)使用從熱源延伸到溫度傳感器的堅(jiān)固地層。

結(jié)論

在具有熱電區(qū)域或高耗電 IC 的 PCB 設(shè)計(jì)中，溫度監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。必須評(píng)估本地溫度傳感器的選擇是否符合相關(guān)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)要求和保護(hù)方案。

應(yīng)考慮傳感器位置和高導(dǎo)熱率路徑，以此在傳感器和發(fā)熱元件之間建立快速熱平衡。

表 1 列出了有關(guān)布局建議的其他資源。

第 2.2 節(jié) 高性能處理器模溫監(jiān)測(cè)

簡介

諸如中央處理單元 (CPU)、圖形處理單元 (GPU)、專用集成電路 (ASIC) 和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 之類的高性能處理器中的電源管理通常很復(fù)雜。通過溫度監(jiān)測(cè)，這些系統(tǒng)不僅可以啟動(dòng)安全系統(tǒng)關(guān)閉程序，還可以利用溫度數(shù)據(jù)來動(dòng)態(tài)調(diào)整性能。

監(jiān)測(cè)過程溫度可以提高系統(tǒng)可靠性并最大限度提升性能。如圖 1 所示，高性能處理器通常使用散熱器吸收管芯中的過多熱量。較高的溫度可能會(huì)激活散熱風(fēng)扇，修改系統(tǒng)時(shí)鐘，或者在處理器超過其溫度閾值時(shí)快速關(guān)閉系統(tǒng)。

管芯溫度監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

為了實(shí)現(xiàn)高效的溫度監(jiān)測(cè)，高性能處理器有兩個(gè)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：溫度精度和傳感器放置。處理器的溫度精度直接與傳感器位置相關(guān)。

如圖 2 所示，通過高精度的溫度監(jiān)測(cè)，可以最大限度提高處理器性能，從而將系統(tǒng)推動(dòng)到其溫度設(shè)計(jì)極限。雖然大多數(shù)集成電路都有內(nèi)置的溫度傳感器，但由于晶圓和其他各批次之間的差異，這些傳感器的精度并不一致。另外，必須根據(jù)基準(zhǔn)來調(diào)理處理器，從而調(diào)整相對(duì)于管芯溫度的系數(shù)。高性能處理器本身具有復(fù)雜的電路并會(huì)引起自發(fā)熱，因此會(huì)產(chǎn)生隨溫度增加的溫度誤差。如果設(shè)計(jì)的系統(tǒng)具有較低精度和溫度誤差，系統(tǒng)的性能將無法在其溫度設(shè)計(jì)極限內(nèi)達(dá)到最大化。

傳感器放置和精度

集成的溫度傳感器或溫度二極管或外部溫度傳感器可以監(jiān)測(cè)處理器的熱性能。在某些情況下，同時(shí)使用內(nèi)部和外部傳感器可以最大化系統(tǒng)性能并提高可靠性。

雙極結(jié)晶體管集成溫度傳感器

一些高性能處理器包含用于溫度傳感的雙極結(jié)型晶體管 (BJT)。BJT 具有取決于溫度且可預(yù)測(cè)性極高的傳遞函數(shù)。遠(yuǎn)程溫度傳感器使用此原理來測(cè)量管芯溫度。在互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝中最常見的 BJT 是 P 溝道 N 溝道 P 溝道 (PNP)。圖 3 顯示了一個(gè)用于測(cè)量 PNP 晶體管連接配置的遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)電路。

由于晶圓和不同批次之間的差異引起的噪聲和誤差，設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的過程可能充滿挑戰(zhàn)。溫度二極管誤差可能由以下原因引起：

? 理想因子變化。BJT 溫度二極管的特性取決于工藝幾何因素和其他工藝變量。如果知道理想因子 n，則可以使用 n 因子寄存器來校正 n 因子誤差?；蛘撸梢? 使用軟件校準(zhǔn)方法來校正所需溫度范圍內(nèi)的理想因子變化。

? 串聯(lián)電阻。由于電流源，信號(hào)路徑中的任何電阻都將引起電壓失調(diào)?，F(xiàn)代遠(yuǎn)程溫度傳感器采用串聯(lián)電阻算法，可消除由高達(dá) 1-2kΩ 的電阻引起的溫度誤差。即使與電阻-電容濾波器結(jié)合使用，該算法也能實(shí)現(xiàn) 穩(wěn)健、精確的測(cè)量結(jié)果。

? 噪聲注入。當(dāng)二極管走線與承載高電流的高頻信號(hào)線并行排布時(shí)，耦合到遠(yuǎn)端印刷電路板走線中的電磁干擾或電感可能導(dǎo)致誤差。這是遠(yuǎn)程溫度傳感器最重要的電路板設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)之一。

? Beta 補(bǔ)償。集成到 FPGA 或處理器中的溫度晶體管的 Beta 值可能小于 1。具有 Beta 補(bǔ)償?shù)倪h(yuǎn)程溫度傳感器專門設(shè)計(jì)用于與這些晶體管結(jié)合使用并校正與它們相關(guān)的溫度測(cè)量誤差。與分立式晶體管一起使用時(shí)，Beta 補(bǔ)償特性不會(huì)帶來任何好處。

器件建議

TMP421 提供單個(gè)通道來監(jiān)測(cè) BJT；也有多通道遠(yuǎn)程溫度傳感器支持多達(dá)八個(gè)通道，可在本地和遠(yuǎn)程測(cè)量溫度。

TMP451 在本地和遠(yuǎn)程均可提供高精度 (0.0625°C) 溫度測(cè)量。服務(wù)器、筆記本電腦和汽車傳感器融合應(yīng)用可受益于多通道遠(yuǎn)程傳感器。

外部溫度傳感器

雖然內(nèi)置溫度傳感器位置最佳，但其精度低至 ±5°C。添加外部本地溫度傳感器可以提高管芯溫度精度并提升系統(tǒng)性能。當(dāng)集成的管芯溫度傳感器不可用時(shí)，也可以使用本地溫度傳感器。然而，對(duì)于本地溫度傳感器，傳感器位置是重要的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。圖 4 顯示了放置本地溫度傳感器的一些選項(xiàng)：位置 a、b 和 c。

? 位置 a。位于微處理器散熱器中心鉆孔中的傳感器與管芯非常靠近。散熱器可以夾持到處理器上，或者用環(huán)氧樹脂貼附到處理器頂部。此位置的溫度傳感器通常需要較長的引線，而隨著散熱器到微處理器之間的導(dǎo)熱性能逐漸下降，傳感器數(shù)據(jù)將變得不正確。

? 位置 b。另一個(gè)放置傳感器的潛在位置是在處理器插座下方的空腔中，此處的組裝非常簡單直接。鑒于傳感器與氣流隔離，環(huán)境溫度對(duì)傳感器讀數(shù)的影響極小。此外，如果散熱器與處理器分離，傳感器將顯示處理器溫度升高。盡管如此，如果采用這種傳感器放置方式，傳感器和處理器之間的溫差可能在 5°C 到 10°C 之間。

? 位置 c。傳感器可以安裝在微處理器單元 (MPU) 旁邊的電路板上。雖然這種安裝方式易于實(shí)施，但傳感器溫度與 MPU 溫度之間的相關(guān)性要弱得多。