本文對當(dāng)前幾種*常用的溫度傳感器技術(shù)進(jìn)行比較并討論其在監(jiān)視PC板、環(huán)境空氣及高功率電路(如CPU、FPGA等)等常見待測工控儀表系統(tǒng)目標(biāo)上的選用、測量與保護(hù)及安裝等技術(shù)作一分析。
對于那些想要測量系統(tǒng)溫度的設(shè)計(jì)者來說，有多種傳感技術(shù)可供選用,即熱敏電阻、熱電偶、RTD及溫度傳感器IC等.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*常用的溫度傳感器技術(shù)進(jìn)行比較，并對其在監(jiān)視PC板、環(huán)境空氣及高功率電路(如CPU、FPGA等)等常見目標(biāo)上的適用與技術(shù)可行性作討論分析。
溫度傳感技術(shù)及分類
傳感器通常用來在電子系統(tǒng)中監(jiān)視溫度并提供保護(hù)，以免產(chǎn)生過度的溫度偏移。下面列出幾種在電子系統(tǒng)中*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(diǎn)產(chǎn)生一個(gè)與溫度近似成比例的電壓。其特點(diǎn)包括：寬溫度范圍(高達(dá)1250℃)、低成本、極低輸出電壓(對于K型，可低至40μV／℃量級)、適當(dāng)?shù)木€性及中等復(fù)雜的信號調(diào)理(冷端補(bǔ)償及放大)。有幾種不同的熱電偶類型，分別用字母來表示。*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(jì)并極大地減少信號放大、冷端補(bǔ)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(電阻溫度檢測器)
實(shí)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(diǎn)包括：寬溫度范圍(可高達(dá)750℃)、出色的精度及可重復(fù)性、適度的線性以及需要進(jìn)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(shí)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。*常見的熱敏電阻為負(fù)溫度系數(shù)(NTC)電阻。其特點(diǎn)包括：適當(dāng)?shù)臏囟确秶?可達(dá)150℃)、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(jìn)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(shí)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(diǎn)包括：適當(dāng)?shù)臏囟确秶?大約150℃)、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-串行外設(shè)接口)、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
選擇正確的傳感技術(shù),須從了解待測量的目標(biāo)的特點(diǎn)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.待測量的目標(biāo)與測量安裝分別如下。
PC板
表面貼裝傳感器*適用于PC板溫度測量。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PC板的溫度相兼容。RTD相當(dāng)**且提供高可重復(fù)性測量，但與熱敏電阻及IC相比，其價(jià)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(gè)較窄的溫度范圍內(nèi)使用時(shí)，通常只需用一至兩個(gè)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(jì)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PC板溫度時(shí)，這些特性通常使其在系統(tǒng)成本、設(shè)計(jì)復(fù)雜性及性能等方面優(yōu)于其他類型的傳感器技術(shù)。
**地測量PC板溫度的一個(gè)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**工作范圍或者對由溫度引起的器件性能變化進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)傳感器位置成為關(guān)鍵因素時(shí)，選用小封裝傳感器比較有利，如SOT23，無需改變PC板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(qiáng)或遠(yuǎn)離其他溫度相關(guān)電路的位置上時(shí)，數(shù)字輸出很有用。
環(huán)境空氣
環(huán)境空氣的溫度比較難測量，因?yàn)閭鞲衅鞯臏囟缺仨毞从晨諝獾臏囟?，但是由于與其他部件(PC板、電源及CPU等)相隔離，它們可能處于不同的溫度。熱敏電阻、熱電偶及RTD一般都采用可將傳感元件與PC板溫度隔開的長引線，如果引線足夠長，則傳感元件將和環(huán)境處于同一溫度，而引線則與可能處于不同溫度的PC板相連。IC傳感器通常很難用來測量環(huán)境溫度，因其*佳傳熱通道是與PC板處于同一溫度的引線。如果PC板不具有和環(huán)境相同的溫度(例如，如果它裝有功耗足以升高電路板溫度的器件)，則IC即不可能測量環(huán)境溫度。請注意，即使采用可使IC傳感器高于PC板的傳統(tǒng)IC封裝，例如T092，由于引線的導(dǎo)熱能力非常好，因而測出的溫度實(shí)際上仍然是PC板的溫度。但由于它們具有數(shù)字輸出及恒溫器等其他功能，IC傳感器有時(shí)還是被用來測量環(huán)境空氣的溫度。這通常是將其安裝在一個(gè)與環(huán)境同溫的小型“衛(wèi)星”PC板上來實(shí)現(xiàn)的。IC也能用來對其他類型傳感器的測量信號進(jìn)行調(diào)理，其中包括用于RTD的ADC及放大器、熱敏電阻至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(如MAX6691)以及熱電偶至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(如MAX6675)等見圖1所示。
CPU、圖形處理器、FPGA、功率器件、模塊等等
高功率器件的溫度通?？捎每拷蛭挥谄骷旅娴谋砻尜N裝傳感器(熱敏電阻、IC或RTD等)來測量。如果無法實(shí)現(xiàn)，或者如果器件上裝有散熱片或具有其他一些需要測量溫度的表面，則可將帶有長引線的傳感器(如熱電偶、RTD及熱敏電阻等)安裝在與被測表面相接觸的位置上。如果被測溫度可能超過150℃，則熱電偶或RTD為*佳選擇。如果被測溫度可能接近或高于750℃，則熱電偶為**選擇。
CPU、圖形處理器、FPGA、功率器件、模塊等等(帶片上熱二極管)
有些器件，尤其像CPU、圖形處理器(GPU)及FPGA等高性能IC，它們包含有用于測量溫度的、連接成二極管形式的雙極型晶體管。由于熱感應(yīng)晶體管就位于IC晶片上， 因此其溫度測量精度遠(yuǎn)高于其他溫度傳感技術(shù)，而且熱時(shí)間常數(shù)也相當(dāng)小。
Maxim提供幾種專門設(shè)計(jì)用來**測量熱二極管溫度并將其直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式的IC。在這些IC中，其中一些可測量一個(gè)熱二極管，而有些則能同時(shí)測量多達(dá)4個(gè)熱二極管。雖然熱二極管的輸出信號電平很小(可低至200μV／℃量級)，但仍大于熱電偶的輸出信號電平。內(nèi)部及外部濾波，再加上合理的電路布局，使得遠(yuǎn)端二極管溫度傳感器能夠被廣泛用于具有很強(qiáng)電氣噪聲的設(shè)備中，例如計(jì)算機(jī)、服務(wù)器及工作站等。
這些IC中的大多數(shù)都能提供其他功能來保護(hù)待測目標(biāo)(CPU、圖形處理器、FPGA、功率器件、模塊)，例如過溫告警引腳ALERT，如果溫度超過目標(biāo)的**工作極限，則能用它來關(guān)斷系統(tǒng)。圖2給出了遠(yuǎn)端二極管溫度傳感器(MAX6642)的一個(gè)例子。這種IC可測量熱二極管和其自身的溫度，測量上限可高達(dá)150℃,同時(shí)還提供過溫告警輸出，觸發(fā)溫度可通過SMBus編程。
利用遠(yuǎn)程感溫二極管,見圖2中MAX6642器件引腳DXP與DXN(這兒為GND)為遠(yuǎn)程感溫二極管的“+”極與“-”極引線,是測量溫度的*普通的辦法。
結(jié)論
有多種不同的溫度傳感技術(shù)擺在系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的面前。可根據(jù)被測目標(biāo)溫度或其他系統(tǒng)要求如成本、電路尺寸及設(shè)計(jì)時(shí)間等來選擇適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲屑夹g(shù)。Maxim公司提供選擇面很寬的各種溫度傳感IC，可幫助設(shè)計(jì)師以優(yōu)異的性能和很低的綜合成本解決各種常見的溫度測量問題。
