集成型溫度傳感器解決散熱難題

隨著(zhù)電子系統越來(lái)越朝著(zhù)多功能、更高性能和更小封裝的趨勢發(fā)展，系統散熱問(wèn)題日漸成為設計環(huán)節中必須考慮的因素。系統過(guò)熱會(huì )降低性能，損壞元件或產(chǎn)生安全隱患。為跟蹤并降低系統散熱而引發(fā)的問(wèn)題，通常需要監控兩個(gè)參數：持續溫度測量和過(guò)熱警報。

持續溫度測量使處理器可以監測到系統溫度的上升或下降，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(huì )受到系統升溫的影響，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(chǎn)生更多熱量，繼而使用更高的電能，這被稱(chēng)為熱逸散。例如，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用中，過(guò)大的增益會(huì )導致電池比預期耗電更快。通過(guò)監控溫度，處理器可以調節放大器的增益，從而確保功率的耗散與設計者預期相符。

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

分立熱敏電阻電路

用于進(jìn)行持續溫度測量和過(guò)熱警報指示的傳統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(NTC)熱敏電阻。隨著(zhù)溫度的升高，NTC熱敏電阻的電阻值降低(圖1)。

圖 1：采用傳統熱敏電阻的電路。處理器的模數轉換器用于采集溫度模擬電壓(VTEMP)。當溫度超出臨界值時(shí)，數字比較器的輸出端會(huì )驅動(dòng)處理器的輸入端進(jìn)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?jì)x| 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(guò)熱警報通過(guò)將熱敏電阻的輸出端與比較器的輸入端相連接而產(chǎn)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(guò)熱電平)。通過(guò)采用磁滯反饋回路用于避免比較器在VTEMP等于VREF時(shí)來(lái)回快速開(kāi)關(guān)。

但是分立熱敏電阻解決方案會(huì )存在許多設計問(wèn)題。而LM57集成模擬溫度傳感器和溫度開(kāi)關(guān)能夠解決這些設計問(wèn)題，并提高系統的性能。

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(jìn)了其性能。如圖2所示，我們可以看到元件數量變少了，但功能卻增加了。例如低態(tài)跳脫點(diǎn)輸出和輸入針腳使系統可以在原位置測試LM57的功能。

圖2：LM57集成電路應用。處理器的模數轉換器用于采集溫度模擬電壓(VTEMP)。當溫度超出臨界值時(shí)，過(guò)熱(TOVER)輸出端會(huì )驅動(dòng)處理器的輸入端進(jìn)行指示。跳脫點(diǎn)由兩個(gè)無(wú)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(shí)，各元件的誤差會(huì )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(shí)受到熱敏電阻和電阻器RBIAS的精確度影響。TOVER數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，這些誤差可能引起大型系統在不需要工作時(shí)繼續運轉，從而導致系統產(chǎn)生過(guò)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(huì )產(chǎn)生以上所提到的誤差源。同時(shí)，系統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(kāi)關(guān)的功能框圖。

NTC電路的另一個(gè)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(huì )收集到來(lái)自參考端的噪聲。比較器的跳脫點(diǎn)會(huì )隨著(zhù)噪聲產(chǎn)生的信號電平的變化而不同。LM57采用一種專(zhuān)利技術(shù)從而解決了這個(gè)問(wèn)題。用戶(hù)可以通過(guò)選擇兩個(gè)電阻器RSENSE1和RSENSE2的值設置VTRIP的值。LM57使用數模轉換器確定跳脫電壓范圍。只要感應線(xiàn)路中電壓在指定范圍內，跳脫溫度就不會(huì )產(chǎn)生變化。這表示LM57感應輸入不會(huì )受到輸入端適量噪聲的影響。這還意味著(zhù)只要電阻器的容差在1%或更低，各電阻器的跳脫點(diǎn)就不會(huì )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(xiàn)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(jìn)制數據轉換產(chǎn)生的誤差。模擬信號經(jīng)過(guò)數字化，得出的是一個(gè)接近實(shí)際測得模擬值的數字值。數字測量的最小增量(LSB)是將模數轉換器參考電壓除以模數轉換器的可數代碼數得出的電壓。例如，使用2.56V參考電壓的8位模數轉換器產(chǎn)生的LSB值為2.56V ÷ 28 = 10mV。測得的模擬值和數字值之間的任何差值將稱(chēng)為轉換中的誤差，這被稱(chēng)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(jīng)數字化獲得接近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(jiàn)National.com網(wǎng)站上的《淺談模數轉換器》(The ABCs of ADCs)一文。

那么，此噪聲在溫度誤差中意味著(zhù)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(chǎn)生的誤差越小。如圖4所示，可以看到在跳脫溫度設為100℃時(shí)，LM57的VTEMP模擬輸出與-10.4mV/℃典型增益值呈現很好的線(xiàn)性關(guān)系(實(shí)際上，LM57具有4種可能的增益，這取決于選擇的跳脫點(diǎn)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(chǎn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)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(xiàn)性輸出值，因此無(wú)需優(yōu)化電路實(shí)現更窄、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(shí)間和板空間

在如今更短的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期中，集成的LM57可以通過(guò)縮短設計時(shí)間從而提高價(jià)值。LM57只需要使用簡(jiǎn)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(wú)需元件匹配、考慮序列誤差等。

由于采取單一封裝，體積小，從而節省了板空間和生產(chǎn)成本，并提高了質(zhì)量。如果在分立解決方案中結合多個(gè)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(gè)新元件，在電路中放置該元件的成本就累加到產(chǎn)品成本中。每個(gè)附加元件都需要增加一個(gè)設備和兩個(gè)或更多連線(xiàn)，因此在設計中需要考慮更多的問(wèn)題。

本文小結

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