【導(dǎo)讀】在個人電子產(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)的另一個共同趨勢是需要處理來自更多傳感器的更多數(shù)據(jù)，進(jìn)一步說明了溫度測量的重要性：不僅要測量系統(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。另外一個好處在于，有了精確的溫度監(jiān)測，無需再對系統(tǒng)進(jìn)行過度設(shè)計(jì)來補(bǔ)償不準(zhǔn)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)分為三類
溫度監(jiān)測：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)測可以是系統(tǒng)溫度監(jiān)測或環(huán)境溫度監(jiān)測。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。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(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)。
本系列文章將提供一些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)。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。
溫度傳感器基本原理
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)一步推動了對溫度測量的需求，不僅要測量系統(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工作溫度范圍內(nèi)的線性度。
• 尺寸。傳感器的尺寸會對設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，而分析整個電路有助于實(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，這對于體溫監(jiān)測等應(yīng)用非常重要。
• 傳感器放置。傳感器的封裝和放置會影響響應(yīng)時(shí)間和傳導(dǎo)路徑；這兩個因素都對高效溫度設(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。下表比較了在為設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)評選適合的技術(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)測溫度依賴性。如下圖和公式所示，精密電流為內(nèi)部正向偏置P-N結(jié)提供電源，從而產(chǎn)生對應(yīng)于器件溫度的基極-發(fā)射極電壓變化 (ΔVBE)。
硅帶隙的溫度依賴性
鑒于硅的可預(yù)測行為，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)。
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，通常會增加校準(zhǔn)成本和軟件開銷。
典型的熱敏電阻實(shí)現(xiàn)方案
上圖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)測的電阻/溫度關(guān)系。
復(fù)雜的四線RTD電路
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。如上圖所示，一個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。
熱電偶
熱電偶由兩個不同的電導(dǎo)體組成，這兩個電導(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。
帶有冷端補(bǔ)償 (CJC) 溫度傳感器的熱電偶
必須知道冷端的溫度才能獲得熱端溫度。由于有兩個系統(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。上圖顯示了一個典型的CJC實(shí)現(xiàn)方案，其中采用熱電偶和外部傳感器來測定熱端溫度。
熱電偶不需要外部激勵，因此不會受到自發(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，并且對于熱電偶與電路板連接處的寄生結(jié)非常敏感。對熱電偶進(jìn)行數(shù)字化容易受到先前討論的 ADC 誤差的影響。
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