工程師溫度傳感指南—溫度傳感器設計挑戰和解決方案， 從熱敏電阻到多通道遠程傳感器IC②

目錄

前沿：編者的消息（√）

第 1 章：溫度傳感基本原理

第 2 章：系統溫度監測

第 2.1 節: 如何監測電路板溫度

第 2.2 節: 高性能處理器模溫監測

第 3 章：環(huán)境溫度監測（√）

第 3.1 節: 精確測量環(huán)境溫度的布局注意事項

第 3.2 節: 通過(guò)可擴展的溫度傳感器實(shí)現高效的冷鏈管理

第 4 章：體溫監測 可穿戴式溫度傳感的設計挑戰

第 5 章：流體溫度監測 使用數字溫度傳感器在熱量計中替代 RTD

第 6 章：閾值檢測 如何避免控制系統遭受熱損壞

第 7 章：溫度補償和校準

第 7.1 節: 使用高精度溫度傳感器進(jìn)行溫度補償

第 7.2 節: 校準熱監測系統的方法

編者的話(huà)

在個(gè)人電子產(chǎn)品、工業(yè)或醫療應用的設計中，工程師必須應對同樣的挑戰，即如何提升性能、增加功能并縮小尺寸。除了這些考慮因素外，他們還必須仔細監測溫度以確保安全并保護系統和消費者免受傷害。

眾多行業(yè)的另一個(gè)共同趨勢是需要處理來(lái)自更多傳感器的更多數據，進(jìn)一步說(shuō)明了溫度測量的重要性：不僅要測量系統或環(huán)境條件，還要補償其他溫度敏感元件，從而確 保傳感器和系統的精度。另外一個(gè)好處在于，有了精確的溫度監測，無(wú)需再對系統進(jìn)行過(guò)度設計來(lái)補償不準確的 溫度測量，從而可以提高系統性能并降低成本。

溫度設計挑戰分為三類(lèi)：

? 溫度監測：溫度傳感器提供有價(jià)值的數據來(lái)持續跟蹤溫度條件，并為控制系統提供反饋。此監測可以是系統溫度監測或環(huán)境溫度監測。在一些應用中，我們可以看到設計挑戰的特點(diǎn)是需要在控制回路中同時(shí)實(shí)現這兩種監測。這些監測包括系統溫度監測、環(huán)境溫度監測以及身體或流體溫度監測。

? 溫度保護：在多種應用中，一旦系統超過(guò)或低于功能溫度閾值，便需要采取措施。溫度傳感器在檢測到事先定義的條件時(shí)提供輸出警報以防止系統損壞。在不影響系統可靠性的情況下提升處理器吞吐量是可行的。系統經(jīng)常過(guò)早啟動(dòng)安全熱關(guān)斷，結果造成高達 5°C 甚至 10°C 的性能損失。當系統超過(guò)或低于功能溫度閾值時(shí)，工程師可以自主啟動(dòng)實(shí)時(shí)保護措施。

? 溫度補償：溫度傳感器可以在正常工作期間隨溫度變化最大限度提高系統性能。監測和校正其他關(guān)鍵組件在發(fā)熱和冷卻時(shí)的溫漂可降低系統故障的風(fēng)險。

本電子書(shū)將提供一些 TI 應用簡(jiǎn)介，由此說(shuō)明使用不同溫度傳感技術(shù)的各種應用的設計注意事項。書(shū)中的章節首先介紹主要的溫度挑戰，然后重點(diǎn)說(shuō)明各種應用的設計注意事項，評估溫度精度和應用尺寸之間的權衡，同時(shí)討論傳感器放置方法。

在許多應用中，環(huán)境空氣溫度監測對于控制環(huán)境條件或確保安全操作條件至關(guān)重要。準確快速地測量環(huán)境溫度 通常面臨挑戰，因為傳感器可能不會(huì )完全暴露于外部環(huán)境并可能受到系統中其他組件的自發(fā)熱影響。TI 的高精度、低功耗單通道和多通道溫度傳感器采用緊湊型封裝， 可實(shí)現更快的熱響應。

簡(jiǎn)介

使用表面貼裝器件來(lái)測量環(huán)境溫度可能具有挑戰性，因為來(lái)自其他高耗電電子元件的熱傳遞會(huì )影響傳感器的溫度讀數。

要精確測量環(huán)境溫度，必須采用良好的布局方法，例如了解主要的導熱路徑、隔離傳感器封裝以及將器件放置在遠離干擾熱源的位置。圖 1 顯示了一種使用這些方法的簡(jiǎn)單恒溫器設計。

在圖 1 中，系統自發(fā)熱產(chǎn)生的被動(dòng)氣流在溫度傳感器 A 上方吸入外部空氣。傳感器放置在遠離主要熱源（中央處理單元）的進(jìn)氣口處，并經(jīng)過(guò)隔熱以確保更精確的測量。

熱輻射和 PCB 布局

必須首先了解哪些組件輻射最多的熱量以避免在熱源附近布線(xiàn)。圖 2 是使用 Mentor Graphics 的 FloTHERM 熱分析工具捕獲的熱感圖像，其中顯示了熱源附近空氣中的溫度分布。

如果將組件放置在外殼內，則熱量分布可能更加集中。請記住應將溫度傳感器遠離熱源放置，從而避免在露天場(chǎng)景中和外殼內出現錯誤的溫度讀數。 表 1 列出了各種熱源溫度下傳感器和熱源之間的建議距離。

如果傳感器靠近熱源，最好創(chuàng )建一個(gè)隔離島，并最大限度增加傳感器與熱源之間的氣隙。氣隙越大，環(huán)境溫度測量結果越好。然而，當傳感器離得更遠時(shí)，間隙不能提供額外的屏蔽。但是，間隙可以改善傳感器的熱響應時(shí)間。

圖 3 顯示切口為 0.8mm 寬時(shí)的溫度讀數大約為 38.5°C，而圖 4 顯示切口為 1.8mm 寬時(shí)的溫度讀數大約為 35.5°C。這些圖像顯示了較大的隔離間隙如何影響環(huán)境溫度讀數。

在設計溫度傳感器的 PCB 時(shí)，采用良好的布局方法非常重要。圖 5 顯示了具有隔離島的 PCB 布局以及輪廓布線(xiàn)，而圖 6 顯示了一種替代設計，其中在安裝溫度傳感器 的區域周?chē)写┛住?/span>

在這兩塊小型電路板上，尺寸極小，只能部署傳感器和旁路電容器；隔離島的熱質(zhì)量越小，熱響應就越好。這些設 計極大地減少了來(lái)自其他組件的熱傳遞量。

溫差

在需要更高測量精度的應用中，請考慮使用溫差設計。這種類(lèi)型的設計在高溫組件旁邊增加了額外的傳感器（如 圖 1 所示），并測量傳感器 A 和 B 之間的溫差。

然而，這種設計需要關(guān)于 ΔT 與環(huán)境溫度之間相關(guān)性的模型，且該模型將根據系統應用而變化。溫差設計會(huì )考慮自發(fā)熱的影響，從而提供更準確的算法來(lái)估算環(huán)境溫度。

器件建議

TMP112 和 TMP116 是專(zhuān)為諸如環(huán)境監測和恒溫控制之類(lèi)的高精度、低功耗應用而設計的數字溫度傳感器。TMP112 在 0°C 至 65°C 范圍內的精度為 ±0.5°C，而 TMP116 在 -10°C 至 85°C 范圍內的精度為 ±0.2°C。

這兩款溫度傳感器都具有高線(xiàn)性度，無(wú)需校準，并具有可 編程警報功能。TMP112 采用緊湊的 1.60mm x 1.20mm 小外形晶體管 (SOT)-563 封裝，而 TMP116 采用 2mm x 2mm 超薄小外形無(wú)引線(xiàn) (WSON) 封裝。

為確保最佳性能和器件使用壽命，表 2 列出了額外的布局建議。