（序言）如何选择温度传感器
2010-05-28 19:37:21 阅读25 评论0 字号：大中小
IC温度传感器 半导体温度传感器是以集成电路（IC）结构制造的，基本设计原理基于半导体二极管的伏安特性与温度之间的关系。IC温度传感器适合于-55 C～150 C温度范围内的应用。虽然IC温度传感器的测量范围比热电偶和RTD的测量范围小一些，但是它们有小封装、高精度和低价格等特点，并且容易与其它器件连接，例如，放大器、稳压器、数字信号处理器（DSP）和微控制器（MCU）。IC温度传感器技术不断进步，可以提供各种各样的功能、特性和接口。鉴于现在提高IC集成度的可行性，数字IC温度传感器能够发送本地温度和远程温度测量结果，监视其它系统参数、控制风扇转速或者当温度超过设定值时发出报警。
模拟温度传感器 初期的IC温度传感器提供一个与温度成比例的输出电压或电流。我们改进了现有的热敏电阻产品，其电阻随温度呈非线性关系变化的特性。现在的模拟温度传感器无需附加线性化电路来校准热敏电阻的非线性。图1示出了这种半导体温度传感器的曲线图，当要求电压与温度之间呈线性关系时，它是良好的选择。 图1 热敏电阻的温度特性曲线与半导体温度传感器的温度特性曲线（略） Thermistor=热敏电阻 Voltage=电压 Silicon Temperature Sensor=半导体温度传感器 Temperature=温度 虽然新的数字输出温度传感器已经在许多应用中取代了模拟输出温度传感器，但是模拟输出温度传感器仍然有用武之地。例如，AD590电流输出温度传感器，自从面世25年多以来在许多应用中一直是很有活力的产品。该器件经常用于远程温度检测，因为高阻抗电流输出使其对长线路传输的电压降不敏感，并且还能用于多种多样的温度检测器应用，具有+4 V ～ +30 V宽工作电压范围。
PWM单线接口 PWM输出温度传感器提供一个方波占空比与温度成比例的方波输出。这种信号通常连到一个MCU计时器，并且根据方波高电平时间与低电平时间的比率计算温度。这种比率式测量方法避免了由于不同时钟频率偏移产生的误差。这些低成本、低功耗的温度传感器适合于印制电路板面积受限制的应用和仅要求使用一个光耦合器进行隔离的应用。例如，TMP05采用小外形SC-70封装（2 mm 长）。TMP05采用菊花链方式，允许串行连接几个温度传感器并且共用一个MCU计时器引脚，适合要求监测多个温区温度的应用。图2给出了一个采用菊花链方式的例子。 图2 菊花链方式（略） DAISY-CHAIN MODE=菊花链方式 TIMER=计时器 MICROPROCESSOR=微处理器 Temperature ( C) = 406 - (731 x (T1 / T2)) = 温度（ C）= 406 - 〔731 x (T1 / T2)〕
I2C，SMBus和SPI接口 2线串行接口协议（例如，I2C，SMBus总线）主要应用于PC和通信应用。SPI是一种3线或4线串行接口，通常用于非PC环境的应用，例如，工业仪表（I&I）和汽车应用。MCU和温度传感器之间的通信可以是双向的，可利用MCU向温度传感器发送指令。 数字温度传感器通常包含适合于低功耗应用的工作模式。例如，ADT7301是一种13 bit分辨率0.5 C 精度带SPI接口的传感器，它能在转换过程中自动进入待机模式。 许多温度传感器具有的另一项重要功能是能在超过温度限定值时产生一个中断，可以将这些温度限定值设置到上限温度（Thigh）寄存器和 下限温度（Tlow）寄存器。在许多温度传感器连接到同一总线的应用中，判定发出中断信号的传感器非常重要。兼容ALERT功能的SMBus总线具有此功能。当中断发生后，发出中断信号的温度传感器将其地址送回MCU以便能容易判定温度超过限定值的传感器。
远程温度监测 通常要求在多个位置进行温度测量。这可以通过在该系统中放置多个本地数字温度传感器来实现。但是远程温度监视器可以提供另一种解决方案，用于尺寸受限制的场合。数字温度传感器除了能测量本地温度，还能使用一个NPN或者PNP型晶体管中的二极管来测量远程温度。这些远程测温二极管可以集成到MCU芯片中或者采用一个低成本的分立器件，例如可以使用2N3906。该远程测温二极管可以放在一个距温度传感器100英尺的高温地点。这种温度传感器的一个例子是ADT7461。 图3 用户可编程温度传感器监视远程PN结的温度（略） 该温度传感器的THERM输出引脚的失效保护功能在温度快接近一个危险的温度值时特别有用。例如，当软件或MCU崩溃时，如果将中断信号送到该MCU将不再有用。在高温情况下，THERM引脚输出能直接开启或者关断一个散热风扇，无需使用该MCU，从而防止了一种潜在的灾难。 THERM 引脚用于在高温时开启风扇。 OR CPU THERMAL DIODE= 或CPU测温二极管 SHIELD=屏蔽线 SMBUS CONTROLLER= SMBUS总线控制器 TYP 10 k ＝10K 典型值 FAN ENABLE=风扇启动 FAN CONTROL CIRCUIT=风扇控制电路 3V TO 3.5 V=3V ～ 3.5 V 5V OR 12 V=5V 或 12 V
温度监视系统 采用超大规模集成电路（VLSI）技术能提高系统的集成度，需要对温度监视和控制的系统通常要求监视其它系统的参数，例如，电源电压、电流和关键信号的直流（DC）偏移。另外，由于现代的VLSI技术能够在数字温度传感器内核的周围构造高度复杂的系统IC。例如，ADT7516除了能测量本地温度，还能提供4通道10 bit ADC和一个片内基准电压源。它还包含12 bitDAC，提供对系统参数的控制能力。 这类应用的一个案例是LCD投影仪的风扇控制。这里有两个需要考虑的主要热源：一个是投影仪灯泡产生的热量，另一个是电源耗散的热量。ADM1034作为这类器件的一个例子，具有监视两路远程温度和自动控制两个风扇转速的能力，这里采用两路独立的PWM输出。图4给出了如何将这样一种器件用于上述应用。 图4 LCD投影仪中的温度监视和风扇控制（略） Temperature source Power Supply=电源产生的热源 Temperature source Bulb of projector=投影仪的灯泡产生的热源 因为有许多利用风扇对系统散热的应用，所以为了有效地控制风扇，开发出了许多方法。其中两种主要方法是风扇转速线性控制方法和风扇转速PWM控制方法。
风扇转速线性控制 在这种控制方法中，MCU读取温度值。根据读取的温度值，MCU决定合适的风扇转速并且将一个相应的值写入该温度传感器片内DAC中。然后，温度传感器的DAC输出用于设置风扇转速的电压值。这类IC风扇控制器的一个例子是ADM1028，见图5。当检测到温度超过限定值时，利用这种器件的默认自动硬件跳脱点能够驱动风扇全速率运转。虽然这类器件中有一些功能要求CPU干预控制风扇，ADI公司也提供带自动风扇转速控制的更高级的产品。 图5 采用ADM1028实现风扇转速线性控制（略） FAN=风扇 FAN-SPD=风扇转速
风扇转速PWM控制 散热风扇的转速可以通过改变施加信号的占空比来调节。控制风扇转速的PWM输出方法的两个主要优点是风扇转速的变化范围比线性控制方法宽，并且其外部电路也有明显简化，见图6。 图6 ADT7460采用PWM控制风扇的转速（略） 注意外部电路比线性控制方法简单。 FAN=风扇 TACH=测速 ADT7460还包含用于自动风扇控制的独立工作软件，并以对应给定芯片温度的{zj0}转速运转。由于多种原因，无需主机干预的自动风扇速率控制功能在PC应用中特别有用。一经设置好，即使该PC机出现意外崩溃，它也能对系统的温度变化做出反应，另外，它确保风扇仅以任意给定温度所需要的转速运转，降低了功耗和噪音。
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