許多技術(shù)可供需要測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)溫度的設(shè)計(jì)人員使用。熱敏電阻、熱電偶、RTD和溫度傳感器IC在任何給定情況下都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。本文比較了最流行的溫度傳感技術(shù)。它討論了每種技術(shù)是否適合監(jiān)控常見目標(biāo)，例如 PC 板、環(huán)境空氣和高功率電路（如 CPU 和 FPGA）。

溫度傳感技術(shù)

傳感器通常用于電子系統(tǒng)中，以監(jiān)測(cè)溫度并提供防止溫度過度偏移的保護(hù)。下面列出了在系統(tǒng)內(nèi)最常用的技術(shù)。

熱電偶是通過連接兩根不同金屬線制成的。導(dǎo)線之間的接觸點(diǎn)產(chǎn)生與溫度大致成比例的電壓。特性包括寬溫度范圍（高達(dá)1250°C）、低成本、極低輸出電壓（K型約為每°C40μV）、合理的線性度和中等復(fù)雜的信號(hào)調(diào)理（冷端補(bǔ)償和放大）。有幾種熱電偶類型，由字母表示。Maxim生產(chǎn)的IC（MAX6674和MAX6675）為K型熱電偶提供信號(hào)調(diào)理功能，簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)任務(wù)，顯著減少了放大、冷端補(bǔ)償和數(shù)字化熱電偶輸出所需的元件數(shù)量。熱電偶有探頭和裸引線。

RTD本質(zhì)上是電阻器（通常由鉑線制成），其電阻隨溫度變化。特性包括寬溫度范圍（高達(dá)750°C）、出色的精度和可重復(fù)性、合理的線性度以及信號(hào)調(diào)理需求。RTD的信號(hào)調(diào)理通常由精密電流源和高分辨率ADC組成。成本可能很高。RTD 采用探頭、表面貼裝封裝和裸引線。

熱敏電阻是與溫度相關(guān)的電阻器，通常由導(dǎo)電材料模制而成。最常見的熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）電阻。特性包括中等溫度范圍（高達(dá)150°C）、低至中等成本（取決于精度）、較差但可預(yù)測(cè)的線性度，以及需要一些信號(hào)調(diào)理。熱敏電阻采用探頭、表面貼裝封裝、裸引線和各種專用封裝。Maxim生產(chǎn)的IC可將熱敏電阻轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。

IC溫度傳感器是完整的硅基傳感電路，具有模擬或數(shù)字輸出。特性包括中等溫度范圍（高達(dá)約150°C）、低成本、出色的線性度以及信號(hào)調(diào)理、比較器和數(shù)字接口等附加功能。數(shù)字格式多種多樣，包括3線和4線（如SPI?）、2線（I2C和SMBus?）和單線（1線?、PWM、頻率和周期）。請(qǐng)注意，信號(hào)調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和恒溫功能都會(huì)增加其他檢測(cè)技術(shù)的成本，但通常包含在傳感器 IC 中。IC溫度傳感器主要采用表面貼裝封裝。

為系統(tǒng)測(cè)量目標(biāo)選擇合適的溫度傳感器

選擇正確的傳感器技術(shù)首先要了解需要測(cè)量溫度的目標(biāo)的特性和要求。下面列出了一些常見的溫度測(cè)量目標(biāo)，并在表1中進(jìn)行了總結(jié)。

印刷電路板

表面貼裝傳感器最適合 PC 板測(cè)量。RTD、熱敏電阻和 IC 傳感器采用表面貼裝封裝，溫度范圍與檢測(cè) PC 板的溫度兼容。RTD非常精確，可產(chǎn)生高度可重復(fù)的測(cè)量，但與熱敏電阻和IC相比可能成本高昂。熱敏電阻是非常非線性的，但非線性是可預(yù)測(cè)的。當(dāng)在較窄的溫度范圍內(nèi)使用時(shí)，通常只需一兩個(gè)外部電阻即可合理地線性化。如果精度不是關(guān)鍵，熱敏電阻可能很便宜;但是，精密熱敏電阻可能價(jià)格適中。如果必須使用線性化計(jì)算或查找表，系統(tǒng)成本和復(fù)雜性可能會(huì)顯著增加。IC具有出色的線性度和附加功能，例如數(shù)字接口或恒溫器功能。在測(cè)量 PC 板溫度時(shí)，這些特性通常使它們?cè)谙到y(tǒng)成本、設(shè)計(jì)復(fù)雜性和性能方面優(yōu)于其他傳感器技術(shù)。

準(zhǔn)確測(cè)量 PC 板溫度的關(guān)鍵之一是將傳感器定位在正確的位置。通常測(cè)量特定組件或組件組的溫度，以確保溫度不超過安全工作范圍，或補(bǔ)償溫度引起的組件性能變化。當(dāng)傳感器的位置至關(guān)重要時(shí)，請(qǐng)尋找小型封裝的溫度傳感器，例如SOT23，這些傳感器可以輕松放置在適當(dāng)?shù)奈恢茫粫?huì)干擾布局。當(dāng)傳感器需要位于可能電噪聲較大或遠(yuǎn)離其他溫度相關(guān)電路的場(chǎng)所時(shí)，數(shù)字輸出非常有用。

環(huán)境空氣

環(huán)境空氣溫度很難測(cè)量，因?yàn)閭鞲衅鞯臏囟缺仨毷艿娇諝獾挠绊懀c可能處于不同溫度的其他組件（PC 板、電源、CPU）隔離。熱敏電阻、熱電偶和RTD采用長(zhǎng)引線，將傳感元件與印刷電路板溫度隔離開來。如果引線足夠長(zhǎng)，則傳感元件將處于環(huán)境溫度，盡管引線連接到印刷電路板，而印刷電路板可能處于不同的溫度。圖1（a）顯示了安裝在印刷電路板表面上方以測(cè)量環(huán)境空氣溫度的熱敏電阻示例。

IC 可幫助對(duì)其他類型的傳感器進(jìn)行信號(hào)調(diào)理。例如，MAX6603為RTD提供方便的模擬接口，MAX6691、MAX6697等具有熱敏電阻數(shù)字功能，MAX6674和MAX6675將K型熱電偶信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。圖1（b）所示為MAX6675和K型熱電偶測(cè)量環(huán)境溫度。

表面貼裝IC更難用于測(cè)量環(huán)境溫度，因?yàn)镮C傳感器的最佳熱路徑是通過其引線，其溫度與印刷電路板相同。如果印刷電路板未處于環(huán)境溫度（例如，如果它包含耗散足夠功率以提高其溫度的組件），則表面貼裝IC將不會(huì)測(cè)量環(huán)境溫度。但是，由于IC溫度傳感器具有額外的系統(tǒng)功能，例如數(shù)字輸出或恒溫器功能，因此有時(shí)用于環(huán)境空氣溫度傳感。這通常是通過將它們放置在環(huán)境溫度下的小型“衛(wèi)星”PC 板上來完成的。

請(qǐng)注意，即使是傳統(tǒng)的IC封裝，如TO-92s，也將IC傳感器抬高到印刷電路板上方，通過其引線導(dǎo)熱，測(cè)得的溫度實(shí)際上等于印刷電路板溫度。采用 TO-92 封裝的一個(gè)極好解決方案是將封裝安裝在電路板上方一對(duì)細(xì)長(zhǎng)的雙絞線末端，如圖 1（c） 所示。DS18S20是一款采用Maxim的1-Wire數(shù)字接口的精密傳感器，用于測(cè)量環(huán)境溫度。

圖 1（a）.熱敏電阻監(jiān)測(cè)空氣溫度。請(qǐng)注意，長(zhǎng)熱敏電阻引線提供與電路板表面的熱隔離。熱敏電阻溫度可通過MAX6697或MAX6691等IC轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。

圖 1（b）.MAX6675使用熱電偶檢測(cè)環(huán)境溫度，提供冷端補(bǔ)償，并將熱電偶的輸出直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。

圖 1（c）.DS18S20精密1-Wire溫度傳感器IC安裝在一對(duì)雙絞線的末端，用于將傳感器與印刷電路板隔離。在這種情況下，DS18S20由數(shù)據(jù)線供電。數(shù)據(jù)和電源由微控制器的I/O引腳控制。

CPU、圖形處理器、FPGA、電源器件、模塊等

大功率元件的溫度通常可以通過器件附近或下方的表面貼裝傳感器（熱敏電阻、IC或RTD）來測(cè)量。如果這不切實(shí)際，或者如果設(shè)備具有散熱器或其他必須測(cè)量的表面，則可以將帶有長(zhǎng)引線（熱電偶、RTD 和熱敏電阻）的傳感器與要測(cè)量的表面接觸。如果要測(cè)量的溫度超過約150°C，熱電偶或RTD是最佳選擇。接近或高于750°C，熱電偶成為唯一的選擇。

CPU、圖形處理器、FPGA、功率器件、模塊等（帶板載熱敏二極管）

一些組件，尤其是高性能IC，如CPU、圖形處理器（GPU）和FPGA，包括一個(gè)二極管連接的雙極晶體管，用于感測(cè)溫度。由于熱檢測(cè)晶體管位于IC芯片上，因此測(cè)量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他傳感技術(shù)，并且熱時(shí)間常數(shù)非常小。

Maxim生產(chǎn)多款I(lǐng)C專用于精確測(cè)量熱二極管的溫度并將其直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。其中一些IC測(cè)量單個(gè)熱二極管，而其他IC則測(cè)量多達(dá)四個(gè)。信號(hào)電平很小（大約為每°C200μV），但仍大于熱電偶。內(nèi)部和外部濾波，加上布局上的合理謹(jǐn)慎，使遠(yuǎn)程二極管傳感器能夠廣泛用于計(jì)算機(jī)、服務(wù)器和工作站等電氣噪聲設(shè)備。這些IC中的大多數(shù)都提供保護(hù)目標(biāo)IC的附加功能，例如過熱報(bào)警引腳，如果溫度超過目標(biāo)的安全工作限值，可用于關(guān)閉系統(tǒng)。遠(yuǎn)端二極管傳感器（MAX6642）的示例如圖2所示。該 IC 可測(cè)量熱敏二極管溫度及其自身溫度高達(dá) 150°C，還提供過熱報(bào)警輸出，其跳閘溫度可通過 SMBus 編程。

圖2.MAX6642是世界上最小的遠(yuǎn)端溫度傳感器。它具有一個(gè) ALERT 引腳，可用作中斷或系統(tǒng)關(guān)斷信號(hào)，以保護(hù)目標(biāo) IC 免受過熱損壞。

結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用幾種不同的溫度傳感技術(shù)。正確的技術(shù)取決于要測(cè)量的目標(biāo)溫度，以及其他系統(tǒng)要求，如成本、電路尺寸和設(shè)計(jì)時(shí)間。Maxim全面的溫度檢測(cè)IC系列可幫助設(shè)計(jì)人員解決常見的溫度測(cè)量問題，具有出色的性能和較低的總成本。

審核編輯：郭婷