理想的應(yīng)用于工業(yè)器具的遠(yuǎn)程溫度傳感器

遠(yuǎn)程溫度傳感器具有其它IC溫度傳感器所具有的全部優(yōu)點(diǎn)，其中包括線性響應(yīng)、無需校準(zhǔn)以及低功耗，因此非常適用于工業(yè)應(yīng)用。

要理解遠(yuǎn)程溫度傳感器的概念以及與本地溫度傳感器的不同，首先要先來回顧一下溫度傳感器集成電路 (IC) 的一些基礎(chǔ)知識。硅溫度傳感器集成電路利用的是硅PN結(jié)隨溫度變化而變化的基本運(yùn)行方式。

因此，如果使電流流經(jīng)在不同區(qū)域的兩個PN結(jié)，它們就會產(chǎn)生出兩個不同的正向電壓值。在電流恒定時(shí)，電壓會隨著PN溫度結(jié)點(diǎn)上的溫度變化而變化。這兩個電壓之間的差與絕對溫度成比例：

了解了所有溫度傳感器 IC的基本工作原理之后，第二個問題是有關(guān)遠(yuǎn)程溫度傳感器和本地溫度傳感器之間的差異。本地溫度傳感器的PN結(jié)通常被熱連接至封裝的接地引腳。根據(jù)熱平衡原理，PN結(jié)上的溫度大體上與接地引腳已連接的印刷電路板 (PCB) 感受到的溫度是一樣的。

遠(yuǎn)程溫度傳感器感測本地溫度時(shí)與本地溫度傳感器一樣。此外，它們還感測系統(tǒng)中的一個或多個遠(yuǎn)程二極管或晶體管。在很多情況下，這些遠(yuǎn)程元器件位于其他的IC中，諸如處理器，專門用途集成電路 (ASIC)，或者現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)。這里的“遠(yuǎn)程二極管”實(shí)際上是一個PNP晶體管，此晶體管的集極和器件的基板相連接。

PNP是大多數(shù)CMOS處理的固有器件，因此可在任何容易出現(xiàn)過熱情況的復(fù)雜而高耗電量的電路中輕松應(yīng)用?；蛘咴谀切┍仨毐O(jiān)視多個點(diǎn)溫度的系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)高效益，可在每個“遠(yuǎn)程”位置采用一個標(biāo)準(zhǔn)晶體管(諸如2N3904或2N3906)。

此外，遠(yuǎn)程溫度傳感器集成了一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，此 ADC 在輸入上具有一個模擬復(fù)用器，以便在不同溫度源之間切換。這樣可通過一個標(biāo)準(zhǔn)串口，諸如I2C或串行外設(shè)接口 (SPI)，實(shí)現(xiàn)與控制器的直接對接，并且可將過熱警報(bào)等熱管理中的某些功能轉(zhuǎn)交溫度傳感器進(jìn)行處理。

遠(yuǎn)程結(jié)溫晶體管

遠(yuǎn)程溫度傳感器在調(diào)整后可以與特定類型的晶體管連接一同工作。由于這些遠(yuǎn)程晶體管/二極管在幾何圖形處理以及其它變量處理方面的特點(diǎn)不同，遠(yuǎn)程溫度傳感器在計(jì)算遠(yuǎn)程溫度時(shí)應(yīng)該包含某些方法來應(yīng)對這些差異。如果采用了不同的連接類型，那么必須使用“非理想”因子對不同的晶體管類型進(jìn)行補(bǔ)償：

其中：

TCF = 溫度修正因子

TCR = 所需溫度范圍的中心

ηTS = 遠(yuǎn)程溫度傳感器非理想技術(shù)規(guī)格

ηProcess = 針對遠(yuǎn)程晶體管/二極管的非理想技術(shù)規(guī)格

很多新型的溫度傳感器，諸如德州儀器 (TI) 生產(chǎn)的TMP451，具有針對非理想因子的多重選項(xiàng)，這樣它就可以與不同的離散型晶體管或處理節(jié)點(diǎn)專用集成電路 (ASIC) 集成溫度二極管一同使用。

遠(yuǎn)程溫度傳感器所包含的另外一個普通信號調(diào)整功能是串聯(lián)電阻抵消。應(yīng)用中的串聯(lián)電阻通常是由PCB走線電阻造成的。這個遠(yuǎn)程線路長度可以由遠(yuǎn)程溫度傳感器自動抵消，從而防止可能產(chǎn)生的溫度偏移。典型器件可以抵消總計(jì)高達(dá)1kΩ的串行線路電阻。這樣就無需額外特性化和溫度偏移校正了。

一旦處理器、ASIC 和 FPGA的處理幾何圖形達(dá)到90nm或更小時(shí)，遠(yuǎn)程感測二極管/晶體管的特性會隨之變化。早期遠(yuǎn)程溫度傳感器的工作方式是控制射極的電流。在處理較小的幾何圖形時(shí)，這些晶體管的物理屬性的變化程度，使VBE 變成集極與射極電流之間的函數(shù)。如果晶體管的BETA特性與集極電流無關(guān)的話，那么對射極電流的控制可以提供足夠的準(zhǔn)確度。

然而，這些新型的、更小幾何尺寸晶體管表現(xiàn)出了與集極電流相關(guān)的BETA特性。像很多更新型的遠(yuǎn)程溫度傳感器，諸如TI生產(chǎn)的TMP435，就通過控制集極電流而非射極電流來實(shí)現(xiàn)一個自動BETA補(bǔ)償功能。TMP435能根據(jù)外部晶體管的BETA因子來自動檢測并選擇正確的范圍。

選擇遠(yuǎn)程溫度結(jié)還是熱敏電阻?

熱敏電阻是最常用的溫度測量器件。從本質(zhì)上講，熱敏電阻是一個阻性元件，其電阻值隨著器件上的溫度成比例變化。由于熱敏電阻是一種相對較小的組件，它可以在距離物體非常近的位置上監(jiān)視物體溫度。

在某些應(yīng)用中，這一點(diǎn)會成為本地溫度傳感器的一個限制因素。而用遠(yuǎn)程晶體管來替代熱敏電阻，就可以實(shí)現(xiàn)與熱敏電阻十分相似的封裝尺寸。然而，這還帶來了許多溫度傳感器IC的優(yōu)勢，包括總體功耗的降低、抗噪數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏p少，以及簡化的實(shí)現(xiàn)方式和信號處理。

上圖中顯示的是溫度傳感器的線性響應(yīng)與熱敏電阻的非線性響應(yīng)之間的對比圖。

硅溫度傳感器的響應(yīng)性能優(yōu)于熱敏電阻，從而實(shí)現(xiàn)了這種簡化成(請見圖表)。無需額外的處理來計(jì)算實(shí)際溫度。

總結(jié)

很多工業(yè)應(yīng)用需要在系統(tǒng)內(nèi)的多個位置監(jiān)視溫度。不論是為了確保系統(tǒng)可靠性，還是實(shí)現(xiàn)部分系統(tǒng)的閉環(huán)控制，對溫度的準(zhǔn)確監(jiān)視能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最優(yōu)化。

遠(yuǎn)程溫度傳感器具有其它IC溫度傳感器的全部優(yōu)點(diǎn)，其中包括線性響應(yīng)、無需校準(zhǔn)，以及低功耗。它們可以監(jiān)視多個位置的溫度，而又無需多個信號處理路徑。根據(jù)所選遠(yuǎn)程二極管或晶體管，傳感器可以用于不同的裝配配置，而安裝在電路板上的本地溫度傳感器IC在這一點(diǎn)上就相形見絀了。