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IC③

對于某些應用，不需要連續溫度采集，但系統保持高于或低于溫度閾值至關(guān)重要。TI 的溫度開(kāi)關(guān)和數字溫度傳感器可實(shí)現簡(jiǎn)單的自主溫度監測，從而通過(guò)遲滯功能檢測溫度是否超過(guò)極限。這些器件允許通過(guò)外部電阻器（可通過(guò)引腳編程、工廠(chǎng)編程或通過(guò) I2C 進(jìn)行設置）選擇閾值跳閘點(diǎn)。

如何避免控制系統遭受熱損壞

簡(jiǎn)介

在控制系統中，工作溫度是影響系統性能、可靠性和安全性的眾多關(guān)鍵因素之一。了解溫度對控制系統的影響可以幫助系統設計人員預測和防止熱損壞。

通常，控制系統的行為很好理解，并且它們在有限的溫度范圍內工作。在該溫度范圍之外工作時(shí)，控制系統可能出現效率降低、熱耗散增加和加速老化的情況。這些影響加在一起可能導致代價(jià)高昂的故障。

熱保護解決方案

有許多預防性解決方案可用于保護控制系統免受熱損壞。這些解決方案可以是分立的，也可以是集成的，通常由溫度傳感器、比較器和電壓基準組成（請參閱圖 1）。

外部溫度開(kāi)關(guān)電路提供實(shí)時(shí)熱保護，而不會(huì )中斷控制處理系統。圖 2 顯示了溫度開(kāi)關(guān)跳閘行為示例，其中跳閘點(diǎn)設置為 60°C，遲滯為 10°C。

有些情況需要熱保護和監測功能，因此需要模數轉換器（ 請參閱圖 3）。具體實(shí)施情況取決于應用要求，如特性、成 本、封裝尺寸、功率和精度。

需要考慮的一些特性包括遲滯、精度、跳閘點(diǎn)可編程性、 跳閘測試、資質(zhì)認證（如汽車(chē)和美國保險商實(shí)驗室 [UL]） 、輸出類(lèi)型、通道數和電源電壓范圍。

遲滯和精度都有助于提高控制系統的整體可靠性。傳感器通常具有以攝氏度表示的測量誤差。這些測量誤差需要以最合適的測量形式進(jìn)行補償。在啟動(dòng)關(guān)斷程序之前減小此類(lèi)偏移誤差可以提高系統可靠性。不糾正此類(lèi)誤差可能導致過(guò)熱錯誤。

例如，如果系統需要在 60°C 的溫度下切斷，最好能精確測量溫度以確保系統斷電。遲滯使系統有時(shí)間趨穩并防止控制系統頻繁經(jīng)歷電源循環(huán)。如圖 2 的示例所示，10°C 遲滯可在 50°C 至 60°C 范圍內優(yōu)化系統性能。

使用基于負溫度系數 (NTC) 的熱敏電阻時(shí)，需要在軟件中線(xiàn)性化熱敏電阻，以?xún)?yōu)化溫度范圍內的系統誤差。線(xiàn)性化通常是通過(guò)多項式擬合或查找表來(lái)執行的。這些方法不僅會(huì )增加整體系統成本，還會(huì )影響功耗。使用基于正溫度系數 (PTC) 的線(xiàn)性硅基熱敏電阻可以消除軟件必要性和功率損失問(wèn)題。

分立式解決方案

使用 NTC 熱敏電阻進(jìn)行溫度開(kāi)關(guān)的分立式實(shí)施很常見(jiàn)。 此外，熱敏電阻解決方案通常被認為是低成本的解決方案。然而，考慮到熱保護的苛刻要求（如保證性能），分立式解決方案通常極具挑戰性且成本高昂。設計分立式熱保護解決方案時(shí)的一些主要挑戰包括精度、可靠性和效率。

由于 NTC 熱敏電阻具有非線(xiàn)性特征，因此如果不使用會(huì )增加系統成本的精密組件，則難以在高溫或低溫下維持高精度跳閘點(diǎn)。校準在基于硬件的開(kāi)關(guān)應用中不實(shí)用。此外，分立式實(shí)施方式需要多個(gè)組件協(xié)同工作，因此可能降低系統可靠性。

最后，NTC 分立式解決方案會(huì )在高溫條件下消耗大量功率，因為 NTC 電阻在高溫條件下將顯著(zhù)降低。

集成電路解決方案：溫度開(kāi)關(guān)/恒溫器

集成溫度開(kāi)關(guān)通常在單個(gè)芯片上集成了溫度傳感器、比較器和電壓基準。這種集成性可以降低設計復雜性，并實(shí)現實(shí)時(shí)熱保護，而不會(huì )經(jīng)常中斷控制處理系統。

以下是這些傳感器的主要優(yōu)點(diǎn)。

? 它們可以自動(dòng)為控制單元啟用熱保護，無(wú)需連續監測。

? 不依賴(lài)于軟件；用于實(shí)現保護的溫度監測固件替代為向控制系統發(fā)出的簡(jiǎn)單警報。

? 遲滯功能保證了跳閘點(diǎn)的溫度精度。

? 簡(jiǎn)單且經(jīng)濟高效的過(guò)溫/欠溫檢測取代了保護電路。

? 可以通過(guò)電阻器或引腳編程的方式設置溫度閾值。在某些情況下，溫度開(kāi)關(guān)可以在工廠(chǎng)執行預設。

? 需要模擬輸出的應用可以利用溫度開(kāi)關(guān)來(lái)提供除警報之外的模擬輸出。

集成傳感器可降低解決方案成本，在安全應用中實(shí)現冗余。

器件建議

TMP303 集成式溫度開(kāi)關(guān)采用窗口比較器，可通過(guò)超小尺寸（小外形晶體管 [SOT]-563）、低功耗（最大 5μA）和低電源電壓（低至 1.4V）特性提供設計靈活性。此器件運行時(shí)無(wú)需額外組件，并可以獨立于微處理器或微控制器工作。通過(guò)不同的器件選項可獲得七個(gè)跳閘點(diǎn)，這些均可 在出廠(chǎng)時(shí)編程為任何所需溫度。

如圖 4 所示的 TMP390 是一個(gè)可通過(guò)電阻器進(jìn)行編 程并具有兩個(gè)內部比較器和兩個(gè)輸出的雙輸出溫度開(kāi)關(guān)。TMP390 具有超低功耗（最大 1μA）低電源電壓 (1.62V) 特性。高溫跳閘點(diǎn)和低溫跳閘點(diǎn)均可配置為任何所需的溫度窗口，使遲滯選項介于 5°C 和 30°C 之間，只 需兩個(gè)電阻器即可實(shí)現。單獨的高低溫跳閘輸出會(huì )產(chǎn)生 獨立的警告信號供微處理器解釋。

表 1 列出了用于分離式或集成式溫度閾值檢測應用的備選器件。

有關(guān)溫度保護的更多信息，請參閱表 2 中的其他資源。