集成型溫度傳感器解決散熱難題

集成型溫度傳感器解決散熱難題

隨著電子系統(tǒng)越來越朝著多功能、更高性能和更小封裝的趨勢發(fā)展，系統(tǒng)散熱問題日漸成為設計環(huán)節(jié)中必須考慮的因素。系統(tǒng)過熱會降低性能，損壞元件或產生安全隱患。為跟蹤并降低系統(tǒng)散熱而引發(fā)的問題，通常需要監(jiān)控兩個參數(shù)：持續(xù)溫度測量和過熱警報。

持續(xù)溫度測量使處理器可以監(jiān)測到系統(tǒng)溫度的上升或下降，并根據測得的溫度采取彌補措施。例如，由于功率放大器(PA)會受到系統(tǒng)升溫的影響，因此它可以顯示增益的升高。增益升高導致功率放大器使用更大的功率，產生更多熱量，繼而使用更高的電能，這被稱為熱逸散。例如，在無線傳感器網絡應用中，過大的增益會導致電池比預期耗電更快。通過監(jiān)控溫度，處理器可以調節(jié)放大器的增益，從而確保功率的耗散與設計者預期相符。

在系統(tǒng)運行溫度超出設置的限制時，處理器會接收到二進制過熱警報信號。一個應用范例是當系統(tǒng)中溫度即將超出元件的最大運行溫度時。此時，處理器可以中止向元件供電，避免系統(tǒng)由于過熱而受到損壞。

分立熱敏電阻電路

用于進行持續(xù)溫度測量和過熱警報指示的傳統(tǒng)分離元件電路在傳感器元件中使用熱敏電阻器(熱敏電阻)，通常采用負溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻。隨著溫度的升高，NTC熱敏電阻的電阻值降低(圖1)。

圖 1：采用傳統(tǒng)熱敏電阻的電路。處理器的模數(shù)轉換器用于采集溫度模擬電壓(VTEMP)。當溫度超出臨界值時，數(shù)字比較器的輸出端會驅動處理器的輸入端進行提示。電力分析儀| 諧波分析儀| 發(fā)生器| 多用表| 驗電筆| 示波表| 電流表| 鉤表| 測試器| 電力計| 電力測量儀| 光度計| 電壓計| 電流計|

電壓分頻器直接衍生模擬溫度信號，作為熱敏電阻溫度模擬信號的電壓電平。RBIAS電阻器能夠設置電路增益，并使熱敏電阻保持在允許的功率內工作，從而最大限度地減小溫度導致的電阻誤差。過熱警報通過將熱敏電阻的輸出端與比較器的輸入端相連接而產生。參考電壓與比較器的另一輸入端相連，以設置比較器輸出端被激活的電壓值(過熱電平)。通過采用磁滯反饋回路用于避免比較器在VTEMP等于VREF時來回快速開關。

但是分立熱敏電阻解決方案會存在許多設計問題。而LM57集成模擬溫度傳感器和溫度開關能夠解決這些設計問題，并提高系統(tǒng)的性能。

集成的LM57電路

LM57不僅集成了分立熱敏電阻電路的功能，還改進了其性能。如圖2所示，我們可以看到元件數(shù)量變少了，但功能卻增加了。例如低態(tài)跳脫點輸出和輸入針腳使系統(tǒng)可以在原位置測試LM57的功能。

圖2：LM57集成電路應用。處理器的模數(shù)轉換器用于采集溫度模擬電壓(VTEMP)。當溫度超出臨界值時，過熱(TOVER)輸出端會驅動處理器的輸入端進行指示。跳脫點由兩個無源電阻器(RSENSE1和RSENSE2)設置，而不是由有效參考端和偏壓電阻器設置。

精確度

任何溫度傳感器電路中最重要的測量參數(shù)之一是總體電路的精確度(或誤差)。在設計分立電路解決方案時，各元件的誤差會累加得出測量值的最大總誤差。例如，分立熱敏電阻電路(圖1)中的VTEMP模擬溫度輸出端將同時受到熱敏電阻和電阻器RBIAS的精確度影響。TOVER數(shù)字警報的精確度不僅受到VTEMP的精確度影響，還受到比較器、反饋電阻器和磁滯電阻器的固有誤差影響。例如，如果使用此電路控制大型HVAC系統(tǒng)，這些誤差可能引起大型系統(tǒng)在不需要工作時繼續(xù)運轉，從而導致系統(tǒng)產生過多的功率。

LM57完全集成(圖3)，所有組成部分的輸入輸出都包含在LM57的校對流程中，因此不會產生以上所提到的誤差源。同時，系統(tǒng)設計員不需要累加各組成元件的誤差，從而得出總誤差。LM57能保證VTEMP模擬輸出的最大誤差為±0.7℃，TOVER警報輸出的最大誤差為±1.5℃。

圖3：LM57集成模擬溫度傳感器和溫度開關的功能框圖。

NTC電路的另一個誤差源是VTRIP的誤差。最大程度降低這一誤差的一種途徑是使用高精度參考端。但是，比較器的輸入端會收集到來自參考端的噪聲。比較器的跳脫點會隨著噪聲產生的信號電平的變化而不同。LM57采用一種專利技術從而解決了這個問題。用戶可以通過選擇兩個電阻器RSENSE1和RSENSE2的值設置VTRIP的值。LM57使用數(shù)模轉換器確定跳脫電壓范圍。只要感應線路中電壓在指定范圍內，跳脫溫度就不會產生變化。這表示LM57感應輸入不會受到輸入端適量噪聲的影響。這還意味著只要電阻器的容差在1%或更低，各電阻器的跳脫點就不會變化。金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計| 平衡儀|

線性度和轉換噪聲

在傳感器測量中獲得最大的精確度需要注意量化噪聲誤差，這是由模擬信號向二進制數(shù)據轉換產生的誤差。模擬信號經過數(shù)字化，得出的是一個接近實際測得模擬值的數(shù)字值。數(shù)字測量的最小增量(LSB)是將模數(shù)轉換器參考電壓除以模數(shù)轉換器的可數(shù)代碼數(shù)得出的電壓。例如，使用2.56V參考電壓的8位模數(shù)轉換器產生的LSB值為2.56V ÷ 28 = 10mV。測得的模擬值和數(shù)字值之間的任何差值將稱為轉換中的誤差，這被稱為轉換噪聲或轉換誤差。例如，如果嘗試采集1.384V信號，此信號經數(shù)字化獲得接近10mV的值，假設達到1.380V，則采樣值具有4mV的轉換噪聲值。如需了解更詳盡的轉換噪聲討論，請參見National.com網站上的《淺談模數(shù)轉換器》(The ABCs of ADCs)一文。

那么，此噪聲在溫度誤差中意味著什么？答案取決于傳感器輸出的增益。傳感器的增益幅度越大，就越少受到噪聲的影響——傳感器增益越高，量化噪聲產生的誤差越小。如圖4所示，可以看到在跳脫溫度設為100℃時，LM57的VTEMP模擬輸出與-10.4mV/℃典型增益值呈現(xiàn)很好的線性關系(實際上，LM57具有4種可能的增益，這取決于選擇的跳脫點值，但是本例中我們選擇100℃)。這表示每毫伏噪聲對溫度的影響為0.097℃/mV。同樣在100℃的溫度下，熱敏電阻輸出端的1mV噪聲將產生1.7℃的誤差(本模擬試驗中使用NCP15XH103熱敏電阻和6.2kΩ偏壓電阻器)。

圖4：LM57和NTC熱敏電阻(Murata NCP15XH103F)的噪聲靈敏度比較。

工作溫度范圍

較熱敏電阻而言，LM57的另一個優(yōu)點是具有更寬的可用工作溫度范圍。如圖4所示，LM57可在-50℃至150℃的溫度范圍中工作。此熱敏電阻的額定溫度范圍是-40℃至125℃，但其可用范圍接近-20℃至100℃。由于在此范圍內具有線性輸出值，因此無需優(yōu)化電路實現(xiàn)更窄、更高的溫度范圍；LM57在140℃下具有卓越的精確度和噪聲容差。

設計時間和板空間

在如今更短的產品開發(fā)周期中，集成的LM57可以通過縮短設計時間從而提高價值。LM57只需要使用簡易的設計優(yōu)化方法即可集成在電路中，并與處理器相連。無需元件匹配、考慮序列誤差等。

由于采取單一封裝，體積小，從而節(jié)省了板空間和生產成本，并提高了質量。如果在分立解決方案中結合多個元件將占用更大板空間，因為各元件間需要保持最小間距。設計每增加一個新元件，在電路中放置該元件的成本就累加到產品成本中。每個附加元件都需要增加一個設備和兩個或更多連線，因此在設計中需要考慮更多的問題。

本文小結

集成的LM57模擬溫度傳感器和溫度開關不僅結合了傳統(tǒng)溫度傳感器和比較器電路的優(yōu)點，同時比分立解決方案具備更多的功能和更好的性能。如需改進系統(tǒng)性能并縮短設計時間，LM57是最佳選擇。