工程師溫度傳感指南—溫度傳感器設(shè)計挑戰(zhàn)和解決方案， 從熱敏電阻到多通道遠(yuǎn)程傳感器IC③

對于某些應(yīng)用，不需要連續(xù)溫度采集，但系統(tǒng)保持高于或低于溫度閾值至關(guān)重要。TI 的溫度開關(guān)和數(shù)字溫度傳感器可實現(xiàn)簡單的自主溫度監(jiān)測，從而通過遲滯功能檢測溫度是否超過極限。這些器件允許通過外部電阻器（可通過引腳編程、工廠編程或通過 I2C 進(jìn)行設(shè)置）選擇閾值跳閘點。

如何避免控制系統(tǒng)遭受熱損壞

簡介

在控制系統(tǒng)中，工作溫度是影響系統(tǒng)性能、可靠性和安全性的眾多關(guān)鍵因素之一。了解溫度對控制系統(tǒng)的影響可以幫助系統(tǒng)設(shè)計人員預(yù)測和防止熱損壞。

通常，控制系統(tǒng)的行為很好理解，并且它們在有限的溫度范圍內(nèi)工作。在該溫度范圍之外工作時，控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)效率降低、熱耗散增加和加速老化的情況。這些影響加在一起可能導(dǎo)致代價高昂的故障。

熱保護(hù)解決方案

有許多預(yù)防性解決方案可用于保護(hù)控制系統(tǒng)免受熱損壞。這些解決方案可以是分立的，也可以是集成的，通常由溫度傳感器、比較器和電壓基準(zhǔn)組成（請參閱圖 1）。

外部溫度開關(guān)電路提供實時熱保護(hù)，而不會中斷控制處理系統(tǒng)。圖 2 顯示了溫度開關(guān)跳閘行為示例，其中跳閘點設(shè)置為 60°C，遲滯為 10°C。

有些情況需要熱保護(hù)和監(jiān)測功能，因此需要模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ 請參閱圖 3）。具體實施情況取決于應(yīng)用要求，如特性、成 本、封裝尺寸、功率和精度。

需要考慮的一些特性包括遲滯、精度、跳閘點可編程性、 跳閘測試、資質(zhì)認(rèn)證（如汽車和美國保險商實驗室 [UL]） 、輸出類型、通道數(shù)和電源電壓范圍。

遲滯和精度都有助于提高控制系統(tǒng)的整體可靠性。傳感器通常具有以攝氏度表示的測量誤差。這些測量誤差需要以最合適的測量形式進(jìn)行補(bǔ)償。在啟動關(guān)斷程序之前減小此類偏移誤差可以提高系統(tǒng)可靠性。不糾正此類誤差可能導(dǎo)致過熱錯誤。

例如，如果系統(tǒng)需要在 60°C 的溫度下切斷，最好能精確測量溫度以確保系統(tǒng)斷電。遲滯使系統(tǒng)有時間趨穩(wěn)并防止控制系統(tǒng)頻繁經(jīng)歷電源循環(huán)。如圖 2 的示例所示，10°C 遲滯可在 50°C 至 60°C 范圍內(nèi)優(yōu)化系統(tǒng)性能。

使用基于負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 的熱敏電阻時，需要在軟件中線性化熱敏電阻，以優(yōu)化溫度范圍內(nèi)的系統(tǒng)誤差。線性化通常是通過多項式擬合或查找表來執(zhí)行的。這些方法不僅會增加整體系統(tǒng)成本，還會影響功耗。使用基于正溫度系數(shù) (PTC) 的線性硅基熱敏電阻可以消除軟件必要性和功率損失問題。

分立式解決方案

使用 NTC 熱敏電阻進(jìn)行溫度開關(guān)的分立式實施很常見。 此外，熱敏電阻解決方案通常被認(rèn)為是低成本的解決方案。然而，考慮到熱保護(hù)的苛刻要求（如保證性能），分立式解決方案通常極具挑戰(zhàn)性且成本高昂。設(shè)計分立式熱保護(hù)解決方案時的一些主要挑戰(zhàn)包括精度、可靠性和效率。

由于 NTC 熱敏電阻具有非線性特征，因此如果不使用會增加系統(tǒng)成本的精密組件，則難以在高溫或低溫下維持高精度跳閘點。校準(zhǔn)在基于硬件的開關(guān)應(yīng)用中不實用。此外，分立式實施方式需要多個組件協(xié)同工作，因此可能降低系統(tǒng)可靠性。

最后，NTC 分立式解決方案會在高溫條件下消耗大量功率，因為 NTC 電阻在高溫條件下將顯著降低。

集成電路解決方案：溫度開關(guān)/恒溫器

集成溫度開關(guān)通常在單個芯片上集成了溫度傳感器、比較器和電壓基準(zhǔn)。這種集成性可以降低設(shè)計復(fù)雜性，并實現(xiàn)實時熱保護(hù)，而不會經(jīng)常中斷控制處理系統(tǒng)。

以下是這些傳感器的主要優(yōu)點。

? 它們可以自動為控制單元啟用熱保護(hù)，無需連續(xù)監(jiān)測。

? 不依賴于軟件；用于實現(xiàn)保護(hù)的溫度監(jiān)測固件替代為向控制系統(tǒng)發(fā)出的簡單警報。

? 遲滯功能保證了跳閘點的溫度精度。

? 簡單且經(jīng)濟(jì)高效的過溫/欠溫檢測取代了保護(hù)電路。

? 可以通過電阻器或引腳編程的方式設(shè)置溫度閾值。在某些情況下，溫度開關(guān)可以在工廠執(zhí)行預(yù)設(shè)。

? 需要模擬輸出的應(yīng)用可以利用溫度開關(guān)來提供除警報之外的模擬輸出。

集成傳感器可降低解決方案成本，在安全應(yīng)用中實現(xiàn)冗余。

器件建議

TMP303 集成式溫度開關(guān)采用窗口比較器，可通過超小尺寸（小外形晶體管 [SOT]-563）、低功耗（最大 5μA）和低電源電壓（低至 1.4V）特性提供設(shè)計靈活性。此器件運行時無需額外組件，并可以獨立于微處理器或微控制器工作。通過不同的器件選項可獲得七個跳閘點，這些均可 在出廠時編程為任何所需溫度。

如圖 4 所示的 TMP390 是一個可通過電阻器進(jìn)行編 程并具有兩個內(nèi)部比較器和兩個輸出的雙輸出溫度開關(guān)。TMP390 具有超低功耗（最大 1μA）低電源電壓 (1.62V) 特性。高溫跳閘點和低溫跳閘點均可配置為任何所需的溫度窗口，使遲滯選項介于 5°C 和 30°C 之間，只 需兩個電阻器即可實現(xiàn)。單獨的高低溫跳閘輸出會產(chǎn)生 獨立的警告信號供微處理器解釋。

表 1 列出了用于分離式或集成式溫度閾值檢測應(yīng)用的備選器件。

有關(guān)溫度保護(hù)的更多信息，請參閱表 2 中的其他資源。