工程師溫度傳感指南—溫度傳感器設計挑戰(zhàn)和解決方案， 從熱敏電阻到多通道遠程傳感器IC②

目錄

前沿：編者的消息（√）

第 1 章：溫度傳感基本原理

第 2 章：系統(tǒng)溫度監(jiān)測

第 2.1 節(jié): 如何監(jiān)測電路板溫度

第 2.2 節(jié): 高性能處理器模溫監(jiān)測

第 3 章：環(huán)境溫度監(jiān)測（√）

第 3.1 節(jié): 精確測量環(huán)境溫度的布局注意事項

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

第 4 章：體溫監(jiān)測 可穿戴式溫度傳感的設計挑戰(zhàn)

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

第 6 章：閾值檢測 如何避免控制系統(tǒng)遭受熱損壞

第 7 章：溫度補償和校準

第 7.1 節(jié): 使用高精度溫度傳感器進行溫度補償

第 7.2 節(jié): 校準熱監(jiān)測系統(tǒng)的方法

編者的話

在個人電子產(chǎn)品、工業(yè)或醫(yī)療應用的設計中，工程師必須應對同樣的挑戰(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，他們還必須仔細監(jiān)測溫度以確保安全并保護系統(tǒng)和消費者免受傷害。

眾多行業(yè)的另一個共同趨勢是需要處理來自更多傳感器的更多數(shù)據(jù)，進一步說明了溫度測量的重要性：不僅要測量系統(tǒng)或環(huán)境條件，還要補償其他溫度敏感元件，從而確 保傳感器和系統(tǒng)的精度。另外一個好處在于，有了精確的溫度監(jiān)測，無需再對系統(tǒng)進行過度設計來補償不準確的 溫度測量，從而可以提高系統(tǒng)性能并降低成本。

溫度設計挑戰(zhàn)分為三類：

? 溫度監(jiān)測：溫度傳感器提供有價值的數(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)測可以是系統(tǒng)溫度監(jiān)測或環(huán)境溫度監(jiān)測。在一些應用中，我們可以看到設計挑戰(zhàn)的特點是需要在控制回路中同時實現(xiàn)這兩種監(jiān)測。這些監(jiān)測包括系統(tǒng)溫度監(jiān)測、環(huán)境溫度監(jiān)測以及身體或流體溫度監(jiān)測。

? 溫度保護：在多種應用中，一旦系統(tǒng)超過或低于功能溫度閾值，便需要采取措施。溫度傳感器在檢測到事先定義的條件時提供輸出警報以防止系統(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)常過早啟動安全熱關斷，結果造成高達 5°C 甚至 10°C 的性能損失。當系統(tǒng)超過或低于功能溫度閾值時，工程師可以自主啟動實時保護措施。

? 溫度補償：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)測和校正其他關鍵組件在發(fā)熱和冷卻時的溫漂可降低系統(tǒng)故障的風險。

本電子書將提供一些 TI 應用簡介，由此說明使用不同溫度傳感技術的各種應用的設計注意事項。書中的章節(jié)首先介紹主要的溫度挑戰(zhàn)，然后重點說明各種應用的設計注意事項，評估溫度精度和應用尺寸之間的權衡，同時討論傳感器放置方法。

在許多應用中，環(huán)境空氣溫度監(jiān)測對于控制環(huán)境條件或確保安全操作條件至關重要。準確快速地測量環(huán)境溫度 通常面臨挑戰(zhàn)，因為傳感器可能不會完全暴露于外部環(huán)境并可能受到系統(tǒng)中其他組件的自發(fā)熱影響。TI 的高精度、低功耗單通道和多通道溫度傳感器采用緊湊型封裝， 可實現(xiàn)更快的熱響應。

簡介

使用表面貼裝器件來測量環(huán)境溫度可能具有挑戰(zhàn)性，因為來自其他高耗電電子元件的熱傳遞會影響傳感器的溫度讀數(shù)。

要精確測量環(huán)境溫度，必須采用良好的布局方法，例如了解主要的導熱路徑、隔離傳感器封裝以及將器件放置在遠離干擾熱源的位置。圖 1 顯示了一種使用這些方法的簡單恒溫器設計。

在圖 1 中，系統(tǒng)自發(fā)熱產(chǎn)生的被動氣流在溫度傳感器 A 上方吸入外部空氣。傳感器放置在遠離主要熱源（中央處理單元）的進氣口處，并經(jīng)過隔熱以確保更精確的測量。

熱輻射和 PCB 布局

必須首先了解哪些組件輻射最多的熱量以避免在熱源附近布線。圖 2 是使用 Mentor Graphics 的 FloTHERM 熱分析工具捕獲的熱感圖像，其中顯示了熱源附近空氣中的溫度分布。

如果將組件放置在外殼內(nèi)，則熱量分布可能更加集中。請記住應將溫度傳感器遠離熱源放置，從而避免在露天場景中和外殼內(nèi)出現(xiàn)錯誤的溫度讀數(shù)。 表 1 列出了各種熱源溫度下傳感器和熱源之間的建議距離。

如果傳感器靠近熱源，最好創(chuàng)建一個隔離島，并最大限度增加傳感器與熱源之間的氣隙。氣隙越大，環(huán)境溫度測量結果越好。然而，當傳感器離得更遠時，間隙不能提供額外的屏蔽。但是，間隙可以改善傳感器的熱響應時間。

圖 3 顯示切口為 0.8mm 寬時的溫度讀數(shù)大約為 38.5°C，而圖 4 顯示切口為 1.8mm 寬時的溫度讀數(shù)大約為 35.5°C。這些圖像顯示了較大的隔離間隙如何影響環(huán)境溫度讀數(shù)。

在設計溫度傳感器的 PCB 時，采用良好的布局方法非常重要。圖 5 顯示了具有隔離島的 PCB 布局以及輪廓布線，而圖 6 顯示了一種替代設計，其中在安裝溫度傳感器 的區(qū)域周圍有穿孔。

在這兩塊小型電路板上，尺寸極小，只能部署傳感器和旁路電容器；隔離島的熱質(zhì)量越小，熱響應就越好。這些設 計極大地減少了來自其他組件的熱傳遞量。

溫差

在需要更高測量精度的應用中，請考慮使用溫差設計。這種類型的設計在高溫組件旁邊增加了額外的傳感器（如 圖 1 所示），并測量傳感器 A 和 B 之間的溫差。

然而，這種設計需要關于 ΔT 與環(huán)境溫度之間相關性的模型，且該模型將根據(jù)系統(tǒng)應用而變化。溫差設計會考慮自發(fā)熱的影響，從而提供更準確的算法來估算環(huán)境溫度。

器件建議

TMP112 和 TMP116 是專為諸如環(huán)境監(jiān)測和恒溫控制之類的高精度、低功耗應用而設計的數(shù)字溫度傳感器。TMP112 在 0°C 至 65°C 范圍內(nèi)的精度為 ±0.5°C，而 TMP116 在 -10°C 至 85°C 范圍內(nèi)的精度為 ±0.2°C。

這兩款溫度傳感器都具有高線性度，無需校準，并具有可 編程警報功能。TMP112 采用緊湊的 1.60mm x 1.20mm 小外形晶體管 (SOT)-563 封裝，而 TMP116 采用 2mm x 2mm 超薄小外形無引線 (WSON) 封裝。

為確保最佳性能和器件使用壽命，表 2 列出了額外的布局建議。