NTC基礎及應用

NTC熱敏電阻是一種電阻值隨溫度上升而出現急劇下降的熱敏電阻器件。利用這一性質(zhì)，除了溫度傳感器以外，其還可以作為溫度保護器件用來(lái)保護電路免受過(guò)熱造成的影響。

TDK使用積累的材料技術(shù)及積層工藝，提供不同尺寸的貼片NTC熱敏電阻。本文就溫度檢測與溫度補償等作為溫度保護器件的應用示例進(jìn)行介紹。

1、智能手機平板中的溫度檢測與溫度補償

智能手機或平板中使用有多個(gè)NTC熱敏電阻用于溫度檢測以及溫度補償。

其基本電路是與NTC熱敏電阻以及固定電阻進(jìn)行串聯(lián)的分壓電路。CPU及功率模塊等安裝在發(fā)熱部位附近的NTC熱敏電阻的電阻值會(huì )隨溫度上升而下降，因此分壓電路的輸出電壓會(huì )發(fā)生變化。該變化輸送至微控制器后將會(huì )保護電路元件免受過(guò)熱造成的影響，或進(jìn)行溫度補償。

2、移動(dòng)設備電池充電中的溫度檢測

智能手機等移動(dòng)設備的電池組中(鋰離子電池)除了+端子與-端子之外，還有另外一個(gè)端子。那就是擁有T端子等名稱(chēng)的溫度監測用端子，其內部搭載有NTC熱敏電阻。在電池溫度上升時(shí)，NTC熱敏電阻溫度也會(huì )隨之上升，從而電阻值會(huì )下降，當超過(guò)上限充電溫度時(shí)，充電控制IC將會(huì )停止充電。下圖為基本電路示例。電池組內的保護IC會(huì )測量電池電壓，從而防止過(guò)充電或過(guò)放電。

在快速充電等要求充電控制更為精準的情況時(shí)，將會(huì )使NTC熱敏電阻與充電控制IC進(jìn)行連接，從而用于測量環(huán)境溫度。

3、微控制器的溫度檢測

由于智能手機等微控制器需要確保工作可靠性，因此需要保護其免受過(guò)熱所帶來(lái)的影響。下圖為組合了NTC熱敏電阻與固定電阻的微控制器溫度保護電路示例。

NTC熱敏電阻由固定電阻RS與分壓電路構成。若流過(guò)過(guò)度的電路，NTC熱敏電阻溫度將會(huì )上升，電阻值將會(huì )下降，從而將抑制微控制器的驅動(dòng)電壓。使用的電路元件為小型SMD貼片式的NTC熱敏電阻以及電阻器，因此直接貼裝于電路基板或發(fā)熱部上即可起到有效的溫度保護作用。

4、LED照明系統的溫度檢測

LED照明系統擁有耗電量低、壽命長(cháng)等特點(diǎn)，但根據不同的使用方法，其會(huì )出現壽命縮短、發(fā)光效率降低等情況。

LED器件中作為發(fā)光層的半導體PN接合面會(huì )發(fā)熱。該溫度稱(chēng)為接合溫度。流過(guò)LED的電流變大時(shí)亮度將會(huì )提高，發(fā)熱量也會(huì )隨之增加，從而接合溫度將會(huì )變高，壽命將會(huì )縮短。此外，若接合溫度過(guò)低時(shí)，發(fā)光效率將會(huì )下降，從而亮度將會(huì )降低。為此，為了發(fā)揮LED的最大效率，需要以最佳溫度進(jìn)行工作。

通過(guò)將NTC熱敏電阻嵌入電路，并與LED進(jìn)行熱耦合后，便可作為簡(jiǎn)易溫度保護電路進(jìn)行工作。若與最佳工作溫度存在偏差，則會(huì )以NTC熱敏電阻的電阻變化形式表現出來(lái)，此時(shí)將會(huì )對流過(guò)LED的電流進(jìn)行補償。最終將會(huì )在降低LED電力損耗的同時(shí)實(shí)現長(cháng)壽命化。

5、HDD的溫度檢測

用于電腦存儲裝置等的HDD是對于溫度極為敏感的裝置，當溫度過(guò)高時(shí)出現錯誤或故障的可能性也會(huì )提高。為此，其會(huì )通過(guò)溫度傳感器對溫度進(jìn)行檢測，當超過(guò)規定溫度時(shí)，將會(huì )通過(guò)風(fēng)扇進(jìn)行送風(fēng)冷卻。雖然使用NTC熱敏電阻與固定電阻的溫度檢測電路精度不及溫度傳感器IC，但優(yōu)勢在于成本極低。

6、HDD磁頭寫(xiě)入時(shí)的溫度檢測

將數據寫(xiě)入HDD時(shí)，是通過(guò)記錄磁頭產(chǎn)生的磁力，將其以磁性方式記錄在盤(pán)片(磁盤(pán))磁性膜上。寫(xiě)入過(guò)度時(shí)磁頭會(huì )發(fā)熱，從而會(huì )對磁頭器件造成不良影響。為此，需要使用下圖所示NTC熱敏電阻，通過(guò)溫度檢測電路控制流過(guò)磁頭的電流。

7、熱敏打印機的溫度檢測

POS收銀臺的收據打印機、條形碼/標簽打印機等使用有用于打印熱敏紙的熱敏打印機。熱敏打印機磁頭溫度與打印濃度呈相關(guān)關(guān)系，溫度越高，濃度則越高，溫度越低，濃度則越低。其根據檢測的熱敏磁頭溫度，通過(guò)改變輸送至熱敏磁頭脈沖電流，并控制電壓，從而使其保持一定的打印濃度。

8、LCD(液晶顯示器)的溫度補償

用于智能手機、平板等設備中的LCD(液晶顯示器)液晶物質(zhì)存在溫度依賴(lài)性，其對比度會(huì )因環(huán)境溫度而產(chǎn)生變化。因此需要根據環(huán)境溫度調整驅動(dòng)電壓。

9、晶體振蕩器的溫度補償

在電腦等電子設備中，若要產(chǎn)生基準頻率(時(shí)鐘基準信號)，則需要使用利用晶振的晶體振蕩器。晶振溫度特性如下圖圖片曲線(xiàn)(紅線(xiàn)：無(wú)溫度補償)所示，呈現以基準溫度(通常為25℃)為拐點(diǎn)的3次曲線(xiàn)，振動(dòng)頻率偏差(縱軸)隨溫度發(fā)生大幅變化。而通過(guò)在低溫范圍與高溫范圍分別插入與晶振溫度特性相反的補償電路便可縮小振動(dòng)頻率偏差(藍線(xiàn)：有溫度補償)。該補償電路為模擬方式，低溫范圍與高溫范圍的補償電路分別由NTC熱敏電阻與電容器、電阻構成。內置溫度補償電路的晶體振蕩器稱(chēng)為T(mén)CXO(溫度補償型晶體振蕩器、Temperature Compensated Xtal Oscillator)。

10、半導體壓力傳感器的溫度補償

家電設備、FA設備、車(chē)載設備等多使用通過(guò)MEMS(微機電系統)技術(shù)制造的壓電電阻型半導體壓力傳感器。該傳感器是對硅基板進(jìn)行蝕刻加工，制作中空薄型壓敏膜片，在通過(guò)壓力產(chǎn)生應力的部分形成4個(gè)作為傳感器器件的壓電電阻部分(應變儀)，并將其連接成為電橋狀。當膜片因氣壓或水壓等受到應力作用時(shí)，傳感器器件上將會(huì )出現電阻差，此時(shí)從電橋電路兩端將其作為電氣信號取出。

壓電電阻型半導體壓力傳感器擁有小型、高靈敏度等特點(diǎn)，但傳感器器件壓力靈敏度會(huì )因溫度而產(chǎn)生變化，因此需要補償電路。下圖為組合了NTC熱敏電阻與固定電阻的補償電路示例。利用熱敏電阻電阻值隨溫度發(fā)生變化的特性，通過(guò)改變施加于半導體壓力傳感器上的電壓實(shí)現溫度補償。除此以外還設計有其他各種補償電路。

11、半導體熱保護

半導體在工作過(guò)程中需要進(jìn)行保護，以過(guò)高溫度對其產(chǎn)生影響。NTC熱敏電阻配置于功率模塊內部基板上，以便于對安裝有模塊的散熱板溫度進(jìn)行監測(圖)。NTC熱敏電阻端子連接在控制器的比較器上。NTC熱敏電阻電阻低于設置值時(shí)，控制器會(huì )減少所有半導體的電力，從而降低封裝件內的溫度。

尤其在功率模塊中使用寬帶隙半導體(GaN或SiC)時(shí)，其工作溫度比標準硅更高，因此有時(shí)需要變更構件的貼裝方法。在標準硅的情況下，可適用焊錫及粘合劑。但在最近，由于需要在更高的溫度下工作，因此，在燒結過(guò)程中需要將構件安裝至DCB上(直接鍵合銅)，或為了進(jìn)行相互連接的貼裝工作而需要使用金、銀或鋁絲進(jìn)行鍵合連接。

當達到接合部溫度時(shí)需要關(guān)閉IGBT，避免因過(guò)高的高溫導致其受損。該溫度由包含在IGBT封裝件中的NTC熱敏電阻進(jìn)行控制。