理想的應用于工業(yè)器具的遠程溫度傳感器

遠程溫度傳感器具有其它IC溫度傳感器所具有的全部?jì)?yōu)點(diǎn)，其中包括線(xiàn)性響應、無(wú)需校準以及低功耗，因此非常適用于工業(yè)應用。

要理解遠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(lái)回顧一下溫度傳感器集成電路 (IC) 的一些基礎知識。硅溫度傳感器集成電路利用的是硅PN結隨溫度變化而變化的基本運行方式。

因此，如果使電流流經(jīng)在不同區域的兩個(gè)PN結，它們就會(huì )產(chǎn)生出兩個(gè)不同的正向電壓值。在電流恒定時(shí)，電壓會(huì )隨著(zhù)PN溫度結點(diǎn)上的溫度變化而變化。這兩個(gè)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(gè)問(wèn)題是有關(guān)遠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結通常被熱連接至封裝的接地引腳。根據熱平衡原理，PN結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，它們還感測系統中的一個(gè)或多個(gè)遠程二極管或晶體管。在很多情況下，這些遠程元器件位于其他的IC中，諸如處理器，專(zhuān)門(mén)用途集成電路 (ASIC)，或者現場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA)。這里的“遠程二極管”實(shí)際上是一個(gè)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CMOS處理的固有器件，因此可在任何容易出現過(guò)熱情況的復雜而高耗電量的電路中輕松應用?；蛘咴谀切┍仨毐O視多個(gè)點(diǎn)溫度的系統中，為了實(shí)現高效益，可在每個(gè)“遠程”位置采用一個(gè)標準晶體管(諸如2N3904或2N3906)。

此外，遠程溫度傳感器集成了一個(gè)模數轉換器 (ADC)，此 ADC 在輸入上具有一個(gè)模擬復用器，以便在不同溫度源之間切換。這樣可通過(guò)一個(gè)標準串口，諸如I2C或串行外設接口 (SPI)，實(shí)現與控制器的直接對接，并且可將過(guò)熱警報等熱管理中的某些功能轉交溫度傳感器進(jìn)行處理。

遠程結溫晶體管

遠程溫度傳感器在調整后可以與特定類(lèi)型的晶體管連接一同工作。由于這些遠程晶體管/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，遠程溫度傳感器在計算遠程溫度時(shí)應該包含某些方法來(lái)應對這些差異。如果采用了不同的連接類(lèi)型，那么必須使用“非理想”因子對不同的晶體管類(lèi)型進(jìn)行補償：

其中：

TCF = 溫度修正因子

TCR = 所需溫度范圍的中心

ηTS = 遠程溫度傳感器非理想技術(shù)規格

ηProcess = 針對遠程晶體管/二極管的非理想技術(shù)規格

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，這樣它就可以與不同的離散型晶體管或處理節點(diǎn)專(zhuān)用集成電路 (ASIC) 集成溫度二極管一同使用。

遠程溫度傳感器所包含的另外一個(gè)普通信號調整功能是串聯(lián)電阻抵消。應用中的串聯(lián)電阻通常是由PCB走線(xiàn)電阻造成的。這個(gè)遠程線(xiàn)路長(cháng)度可以由遠程溫度傳感器自動(dòng)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高達1kΩ的串行線(xiàn)路電阻。這樣就無(wú)需額外特性化和溫度偏移校正了。

一旦處理器、ASIC 和 FPGA的處理幾何圖形達到90nm或更小時(shí)，遠程感測二極管/晶體管的特性會(huì )隨之變化。早期遠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。如果晶體管的BETA特性與集極電流無(wú)關(guān)的話(huà)，那么對射極電流的控制可以提供足夠的準確度。

然而，這些新型的、更小幾何尺寸晶體管表現出了與集極電流相關(guān)的BETA特性。像很多更新型的遠程溫度傳感器，諸如TI生產(chǎn)的TMP435，就通過(guò)控制集極電流而非射極電流來(lái)實(shí)現一個(gè)自動(dòng)BETA補償功能。TMP435能根據外部晶體管的BETA因子來(lái)自動(dòng)檢測并選擇正確的范圍。

選擇遠程溫度結還是熱敏電阻?

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(gè)阻性元件，其電阻值隨著(zhù)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視物體溫度。

在某些應用中，這一點(diǎn)會(huì )成為本地溫度傳感器的一個(gè)限制因素。而用遠程晶體管來(lái)替代熱敏電阻，就可以實(shí)現與熱敏電阻十分相似的封裝尺寸。然而，這還帶來(lái)了許多溫度傳感器IC的優(yōu)勢，包括總體功耗的降低、抗噪數據傳輸的減少，以及簡(jiǎn)化的實(shí)現方式和信號處理。

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

硅溫度傳感器的響應性能優(yōu)于熱敏電阻，從而實(shí)現了這種簡(jiǎn)化成(請見(jiàn)圖表)。無(wú)需額外的處理來(lái)計算實(shí)際溫度。

總結

很多工業(yè)應用需要在系統內的多個(gè)位置監視溫度。不論是為了確保系統可靠性，還是實(shí)現部分系統的閉環(huán)控制，對溫度的準確監視能實(shí)現系統性能的最優(yōu)化。

遠程溫度傳感器具有其它IC溫度傳感器的全部?jì)?yōu)點(diǎn)，其中包括線(xiàn)性響應、無(wú)需校準，以及低功耗。它們可以監視多個(gè)位置的溫度，而又無(wú)需多個(gè)信號處理路徑。根據所選遠程二極管或晶體管，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(jiàn)絀了。