NTC基礎(chǔ)及應(yīng)用

NTC熱敏電阻是一種電阻值隨溫度上升而出現(xiàn)急劇下降的熱敏電阻器件。利用這一性質(zhì)，除了溫度傳感器以外，其還可以作為溫度保護(hù)器件用來保護(hù)電路免受過熱造成的影響。

TDK使用積累的材料技術(shù)及積層工藝，提供不同尺寸的貼片NTC熱敏電阻。本文就溫度檢測與溫度補(bǔ)償?shù)茸鳛闇囟缺Ｗo(hù)器件的應(yīng)用示例進(jìn)行介紹。

1、智能手機(jī)平板中的溫度檢測與溫度補(bǔ)償

智能手機(jī)或平板中使用有多個NTC熱敏電阻用于溫度檢測以及溫度補(bǔ)償。

其基本電路是與NTC熱敏電阻以及固定電阻進(jìn)行串聯(lián)的分壓電路。CPU及功率模塊等安裝在發(fā)熱部位附近的NTC熱敏電阻的電阻值會隨溫度上升而下降，因此分壓電路的輸出電壓會發(fā)生變化。該變化輸送至微控制器后將會保護(hù)電路元件免受過熱造成的影響，或進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

2、移動設(shè)備電池充電中的溫度檢測

智能手機(jī)等移動設(shè)備的電池組中(鋰離子電池)除了+端子與-端子之外，還有另外一個端子。那就是擁有T端子等名稱的溫度監(jiān)測用端子，其內(nèi)部搭載有NTC熱敏電阻。在電池溫度上升時，NTC熱敏電阻溫度也會隨之上升，從而電阻值會下降，當(dāng)超過上限充電溫度時，充電控制IC將會停止充電。下圖為基本電路示例。電池組內(nèi)的保護(hù)IC會測量電池電壓，從而防止過充電或過放電。

在快速充電等要求充電控制更為精準(zhǔn)的情況時，將會使NTC熱敏電阻與充電控制IC進(jìn)行連接，從而用于測量環(huán)境溫度。

3、微控制器的溫度檢測

由于智能手機(jī)等微控制器需要確保工作可靠性，因此需要保護(hù)其免受過熱所帶來的影響。下圖為組合了NTC熱敏電阻與固定電阻的微控制器溫度保護(hù)電路示例。

NTC熱敏電阻由固定電阻RS與分壓電路構(gòu)成。若流過過度的電路，NTC熱敏電阻溫度將會上升，電阻值將會下降，從而將抑制微控制器的驅(qū)動電壓。使用的電路元件為小型SMD貼片式的NTC熱敏電阻以及電阻器，因此直接貼裝于電路基板或發(fā)熱部上即可起到有效的溫度保護(hù)作用。

4、LED照明系統(tǒng)的溫度檢測

LED照明系統(tǒng)擁有耗電量低、壽命長等特點(diǎn)，但根據(jù)不同的使用方法，其會出現(xiàn)壽命縮短、發(fā)光效率降低等情況。

LED器件中作為發(fā)光層的半導(dǎo)體PN接合面會發(fā)熱。該溫度稱為接合溫度。流過LED的電流變大時亮度將會提高，發(fā)熱量也會隨之增加，從而接合溫度將會變高，壽命將會縮短。此外，若接合溫度過低時，發(fā)光效率將會下降，從而亮度將會降低。為此，為了發(fā)揮LED的最大效率，需要以最佳溫度進(jìn)行工作。

通過將NTC熱敏電阻嵌入電路，并與LED進(jìn)行熱耦合后，便可作為簡易溫度保護(hù)電路進(jìn)行工作。若與最佳工作溫度存在偏差，則會以NTC熱敏電阻的電阻變化形式表現(xiàn)出來，此時將會對流過LED的電流進(jìn)行補(bǔ)償。最終將會在降低LED電力損耗的同時實(shí)現(xiàn)長壽命化。

5、HDD的溫度檢測

用于電腦存儲裝置等的HDD是對于溫度極為敏感的裝置，當(dāng)溫度過高時出現(xiàn)錯誤或故障的可能性也會提高。為此，其會通過溫度傳感器對溫度進(jìn)行檢測，當(dāng)超過規(guī)定溫度時，將會通過風(fēng)扇進(jìn)行送風(fēng)冷卻。雖然使用NTC熱敏電阻與固定電阻的溫度檢測電路精度不及溫度傳感器IC，但優(yōu)勢在于成本極低。

6、HDD磁頭寫入時的溫度檢測

將數(shù)據(jù)寫入HDD時，是通過記錄磁頭產(chǎn)生的磁力，將其以磁性方式記錄在盤片(磁盤)磁性膜上。寫入過度時磁頭會發(fā)熱，從而會對磁頭器件造成不良影響。為此，需要使用下圖所示NTC熱敏電阻，通過溫度檢測電路控制流過磁頭的電流。

7、熱敏打印機(jī)的溫度檢測

POS收銀臺的收據(jù)打印機(jī)、條形碼/標(biāo)簽打印機(jī)等使用有用于打印熱敏紙的熱敏打印機(jī)。熱敏打印機(jī)磁頭溫度與打印濃度呈相關(guān)關(guān)系，溫度越高，濃度則越高，溫度越低，濃度則越低。其根據(jù)檢測的熱敏磁頭溫度，通過改變輸送至熱敏磁頭脈沖電流，并控制電壓，從而使其保持一定的打印濃度。

8、LCD(液晶顯示器)的溫度補(bǔ)償

用于智能手機(jī)、平板等設(shè)備中的LCD(液晶顯示器)液晶物質(zhì)存在溫度依賴性，其對比度會因環(huán)境溫度而產(chǎn)生變化。因此需要根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整驅(qū)動電壓。

9、晶體振蕩器的溫度補(bǔ)償

在電腦等電子設(shè)備中，若要產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率(時鐘基準(zhǔn)信號)，則需要使用利用晶振的晶體振蕩器。晶振溫度特性如下圖圖片曲線(紅線：無溫度補(bǔ)償)所示，呈現(xiàn)以基準(zhǔn)溫度(通常為25℃)為拐點(diǎn)的3次曲線，振動頻率偏差(縱軸)隨溫度發(fā)生大幅變化。而通過在低溫范圍與高溫范圍分別插入與晶振溫度特性相反的補(bǔ)償電路便可縮小振動頻率偏差(藍(lán)線：有溫度補(bǔ)償)。該補(bǔ)償電路為模擬方式，低溫范圍與高溫范圍的補(bǔ)償電路分別由NTC熱敏電阻與電容器、電阻構(gòu)成。內(nèi)置溫度補(bǔ)償電路的晶體振蕩器稱為TCXO(溫度補(bǔ)償型晶體振蕩器、Temperature Compensated Xtal Oscillator)。

10、半導(dǎo)體壓力傳感器的溫度補(bǔ)償

家電設(shè)備、FA設(shè)備、車載設(shè)備等多使用通過MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)制造的壓電電阻型半導(dǎo)體壓力傳感器。該傳感器是對硅基板進(jìn)行蝕刻加工，制作中空薄型壓敏膜片，在通過壓力產(chǎn)生應(yīng)力的部分形成4個作為傳感器器件的壓電電阻部分(應(yīng)變儀)，并將其連接成為電橋狀。當(dāng)膜片因氣壓或水壓等受到應(yīng)力作用時，傳感器器件上將會出現(xiàn)電阻差，此時從電橋電路兩端將其作為電氣信號取出。

壓電電阻型半導(dǎo)體壓力傳感器擁有小型、高靈敏度等特點(diǎn)，但傳感器器件壓力靈敏度會因溫度而產(chǎn)生變化，因此需要補(bǔ)償電路。下圖為組合了NTC熱敏電阻與固定電阻的補(bǔ)償電路示例。利用熱敏電阻電阻值隨溫度發(fā)生變化的特性，通過改變施加于半導(dǎo)體壓力傳感器上的電壓實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。除此以外還設(shè)計(jì)有其他各種補(bǔ)償電路。

11、半導(dǎo)體熱保護(hù)

半導(dǎo)體在工作過程中需要進(jìn)行保護(hù)，以過高溫度對其產(chǎn)生影響。NTC熱敏電阻配置于功率模塊內(nèi)部基板上，以便于對安裝有模塊的散熱板溫度進(jìn)行監(jiān)測(圖)。NTC熱敏電阻端子連接在控制器的比較器上。NTC熱敏電阻電阻低于設(shè)置值時，控制器會減少所有半導(dǎo)體的電力，從而降低封裝件內(nèi)的溫度。

尤其在功率模塊中使用寬帶隙半導(dǎo)體(GaN或SiC)時，其工作溫度比標(biāo)準(zhǔn)硅更高，因此有時需要變更構(gòu)件的貼裝方法。在標(biāo)準(zhǔn)硅的情況下，可適用焊錫及粘合劑。但在最近，由于需要在更高的溫度下工作，因此，在燒結(jié)過程中需要將構(gòu)件安裝至DCB上(直接鍵合銅)，或?yàn)榱诉M(jìn)行相互連接的貼裝工作而需要使用金、銀或鋁絲進(jìn)行鍵合連接。

當(dāng)達(dá)到接合部溫度時需要關(guān)閉IGBT，避免因過高的高溫導(dǎo)致其受損。該溫度由包含在IGBT封裝件中的NTC熱敏電阻進(jìn)行控制。