熱管理設計中的溫度檢測

　　摘要：熱管理始于溫度測量，Maxim開發(fā)了各種用于這種測量的溫度檢測IC。除了不同類型的傳感器IC外，電子系統(tǒng)還可以采用其它多項技術測量溫度。本文簡要介紹了熱管理應用中溫度檢測方法。

　　關鍵詞：熱管理;溫度傳感器;遠端溫度傳感器;數(shù)字溫度傳感器;模擬溫度傳感器檢測位置：正確選擇傳感器的關鍵

　　使用溫度傳感器的第一步是根據(jù)具體應用正確選擇傳感器類型。首先，理解需要測量的目標溫度。

　　檢測PCB溫度

　　表貼傳感器非常適合PCB(印制電路板)測溫。RTD(電阻溫度檢測器)、熱敏電阻和IC(集成電路)傳感器都提供表貼封裝，而且溫度范圍適合于PCB的溫度檢測。由于IC傳感器所固有的線性度高、成本低等特性，通常是這類應用的最佳選擇。IC傳感器還可提供其它功能，例如：數(shù)字接口或溫度監(jiān)控功能。相對于其他技術而言，這些功能使其在系統(tǒng)成本、設計復雜度和性能方面占據(jù)很大優(yōu)勢。

　　精確測量PCB溫度的關鍵之一是把傳感器置于正確的位置。多數(shù)情況是關注某個特定器件或器件組的溫度測量，以確保溫度不超出安全工作范圍，或者是補償由于溫度引起的器件性能的變化。如果傳感器的位置非常敏感，最好使用小尺寸封裝的溫度傳感器，例如TDFN、SC70或SOT23封裝，可以很容易地把傳感器置于合適位置。需要將傳感器置于嘈雜或遠離其它溫度相關電路時，最好選擇數(shù)字輸出的溫度傳感器。如果需要監(jiān)測PCB多個位置的溫度，帶有I2C、SMBus或1-Wire接口的本地數(shù)字溫度傳感器不失為最佳選擇，可以將具有不同從地址的器件掛接到同一總線。許多常見的I2C傳感器提供設置不同從地址的輸入。例如，MAX7500和DS75LX都帶有3個地址輸入。

　　另一種監(jiān)測多個PCB位置的方法是采用帶有分立晶體管溫度檢測的多通道遠端溫度傳感器。圖1所示提供了一個示例，其中MAX6697監(jiān)測其內(nèi)部溫度，并利用分立晶體管監(jiān)測6路外部溫度，總共可監(jiān)測7個溫度點，而僅需單個I2C從地址。

　　檢測環(huán)境溫度

　　由于傳感器的溫度必須與空氣溫度相同，并且與其它不同溫度的所有部件(PCB、電源、CPU)相隔離，因此，測量環(huán)境溫度比較困難。熱敏電阻、熱電偶和RTD可帶有長引線，如果引線足夠長且足夠細，即可幫助檢測元件與PCB之間的隔熱。如果檢測元件與PCB具有足夠的隔離，其溫度將為環(huán)境溫度。這三種類型的傳感器中，由于熱敏電阻成本低、信號調(diào)理要求簡單，被廣泛用于通用的環(huán)境溫度檢測。圖2所示為如何利用熱敏電阻、熱電偶或RTD測量環(huán)境溫度的示例。圖中，熱敏電阻與電路板的表面具有很好隔離，長引線有助于提供與電路板的隔熱。

　　由于IC傳感器的最佳導熱通路是與電路板具有相同溫度的引腳，使用表貼封裝的溫度傳感器IC測量環(huán)境溫度將更加困難。如果PCB處于測溫環(huán)境內(nèi)，安裝在PCB上的傳感器即可用來測量環(huán)境溫度。但是，如果PCB上的元件耗散功率過大，溫度將高于環(huán)境溫度，IC測量的溫度是升高后的PCB溫度，而不是環(huán)境溫度。注意，即使采用傳統(tǒng)封裝，例如TO92，IC傳感器的位置在PCB的上方，也會通過引腳傳導熱量，測得的溫度實際等于PCB溫度。圖3所示為板裝TO92封裝的溫度傳感器IC。板裝傳感器能很好地測量PCB溫度，但不適合用于測量環(huán)境溫度。

　　盡管容易受PCB溫度的影響，傳感器IC依然是測量空氣溫度的最佳方案，因為它們不僅僅是傳感器——往往還提供更多其它功能，例如：數(shù)字輸出、可尋址能力或溫度監(jiān)控功能。在使用TO92封裝IC檢測環(huán)境溫度時，請使用雙絞線將傳感器與PCB隔離開。與使用熱敏電阻一樣，如果引線足夠長且足夠細，可實現(xiàn)足夠的隔熱，從而獲得準確的環(huán)境溫度讀數(shù)。圖4所示是按照這種方式使用TO92傳感器的示例，采用Maxim的1-Wire接口數(shù)字溫度傳感器。二極管溫度傳感器亦可用來測量環(huán)境溫度。這種情況下，可以把分立晶體管安裝在雙絞線的末端。Maxim的任何遠端二極管傳感器均可用來測量晶體管溫度。

　　CPU、圖形處理器、FPGA、ASIC、功率器件的溫度檢測

　　如遠端數(shù)字溫度傳感器部分所述，有些元件，尤其是高性能IC，例如CPU、GPU和FPGA，都有一個雙極型晶體管，用于溫度測量。該晶體管通常采用集電極接地的PNP管。基極和發(fā)射極構成“二極管”連接。由于測溫晶體管位于IC管芯，測量精度遠遠優(yōu)于其他技術，而且導熱時間常數(shù)相當小。Maxim的遠端二極管傳感器專門優(yōu)化用于此類器件的溫度監(jiān)測。注意，不同IC的溫度測量二極管的理想因子和串聯(lián)電阻會有所不同。這些差異的影響在遠端二極管傳感器應用指南部分進行了說明。