溫度傳感器芯片為系統(tǒng)提供可靠的保護

2004年7月B版

　　系統(tǒng)設(shè)計工程師開發(fā)電子產(chǎn)品時往往受到兩方面的限制，使他們不得不審慎考慮系統(tǒng)的散熱問題。其中一個限制是印刷電路板及機盒的大小及成本。由于產(chǎn)品越趨小巧，因此機盒內(nèi)的氣流較少，很難降低耗電量大而又敏感的半導(dǎo)體芯片的溫度。性能是另一個方面限制，因為我們不斷提高處理器、數(shù)字信號處理器(DSP)及控制器(MCU)的性能，但根據(jù)摩爾定律，處理器性能每提升一倍，功耗也相應(yīng)增加一倍。由于受到這兩方面的限制，因此電子產(chǎn)品很易在工作時積聚大量熱能，令溫度不斷攀升，以致影響系統(tǒng)的可靠性，甚至功能能否充分發(fā)揮也會受到影響。以這兩方面的問題來說，溫度傳感器芯片都可發(fā)揮關(guān)鍵性的保護作用。

建立熱量控制系統(tǒng)模型

　　電路板及機盒的功能設(shè)計全部完成之后，我們便應(yīng)立即建立熱能控制系統(tǒng)的模型。圖 1 的彩色繪圖清楚顯示出現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計內(nèi)的多個瓶頸地帶，同時也讓我們知道是否有必要加設(shè)主動式溫度感測及控制裝置 (參看圖 1)。美國國家半導(dǎo)體的 www.national.com/appinfo/webench/webtherm/ 網(wǎng)頁載有這類建模工具的示例，全部都極有參考價值。需要保護的關(guān)鍵電路一經(jīng)確定之后，便必須制定相關(guān)的保護策略。

保護策略

　　傳統(tǒng)上，工程師都利用銅線或金屬塊作為散熱器，以保護會耗散大量熱能的芯片。這個方法仍然很受歡迎，但只局限于并不怎樣計較產(chǎn)品輕重的系統(tǒng)。從熱能管理的角度來看，計算機制造商其實有很多值得我們學(xué)習(xí)的地方。他們采用的保護計算機的方法也適用于其他電子產(chǎn)品，而事實上這些方法已被其他行業(yè)如電子游戲機及汽車電子系統(tǒng)業(yè)的制造商所廣泛采用。以下是幾個基本的保護方式：
　
　　有一點很重要，那就是采用塑膠封裝的溫度傳感器芯片可在-55℃至 150℃的溫度范圍內(nèi)操作。對于需要在 150℃至 180℃的高溫范圍內(nèi)操作的先進系統(tǒng)來說，無封裝的傳感器裸粒仍可適用。

被動式保護

　　目前有幾個保護系統(tǒng)的方法最具經(jīng)濟效益，例如適當(dāng)降低功率的額定值、讓空氣自由流動以及采用散熱器。為了確保產(chǎn)品性能可靠，符合集成電路制造商所作的保證，芯片本身的連接面溫度必須不能超過數(shù)據(jù)表所列的數(shù)值 (約 150℃)。

　　電源管理芯片的數(shù)據(jù)表都將有關(guān)的方程式一一列出，讓工程師可以利用降低功率額定值的方法計算散熱器的大小。有關(guān)方程式已將芯片至封裝、封裝至散熱器、以及空氣對流等不同散熱方面的熱阻計算在內(nèi)。

恒溫控制芯片

　　采用恒溫控制芯片可以避免電子產(chǎn)品因為產(chǎn)生大量熱能而燒毀其中的電子零件，而且這是一個簡單而又快捷的解決方法。恒溫器芯片可將電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)入備用模式，甚至停止電源供應(yīng)器的供電，或啟動散熱扇。例如，美國國家半導(dǎo)體的 LM26 及 LM27 溫度傳感器芯片屬于成本效益非常高的恒溫控制芯片，跳轉(zhuǎn)點低至只有23℃，最高可達145℃，應(yīng)用范圍非常廣泛。此外，這兩款恒溫控制芯片也有2℃或10℃兩種滯后可供選擇，以滿足不同熱滯后時間及熱質(zhì)量的不同要求。

數(shù)字溫度傳感器

　　數(shù)字溫度傳感器內(nèi)置二極管傳感電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、寄存器及接口區(qū)塊。8 位傳感器的精確度可達