【導(dǎo)讀】在個人電子產(chǎn)品、工業(yè)或醫(yī)療應(yīng)用的設(shè)計中，工程師必須應(yīng)對同樣的挑戰(zhàn)，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(xì)監(jiān)測溫度以確保安全并保護(hù)系統(tǒng)和消費者免受傷害。
眾多行業(yè)的另一個共同趨勢是需要處理來自更多傳感器的更多數(shù)據(jù)，進(jìn)一步說明了溫度測量的重要性：不僅要測量系統(tǒng)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(tǒng)的精度。另外一個好處在于，有了精確的溫度監(jiān)測，無需再對系統(tǒng)進(jìn)行過度設(shè)計來補償不準(zhǔn)確的溫度測量，從而可以提高系統(tǒng)性能并降低成本。
三大溫度設(shè)計挑戰(zhàn)
• 溫度監(jiān)測： 溫度傳感器提供有價值的數(shù)據(jù)來持續(xù)跟蹤溫度條件，并為控制系統(tǒng)提供反饋。此監(jiān)測可以是系統(tǒng)溫度監(jiān)測或環(huán)境溫度監(jiān)測。在一些應(yīng)用中，我們可以看到設(shè)計挑戰(zhàn)的特點是需要在控制回路中同時實現(xiàn)這兩種監(jiān)測。這些監(jiān)測包括系統(tǒng)溫度監(jiān)測、環(huán)境
溫度監(jiān)測以及身體或流體溫度監(jiān)測。
• 溫度保護(hù)： 在多種應(yīng)用中，一旦系統(tǒng)超過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提供輸出警報以防止系統(tǒng)損壞。在不影響系統(tǒng)可靠性的情況下提升處理器吞吐量是可行的。系統(tǒng)經(jīng)常過早啟動安全熱關(guān)斷，結(jié)果造成高達(dá)5°C 甚至 10°C 的性能損失。當(dāng)系統(tǒng)超過或低于功能溫度閾值時，工程師可以自主啟動實時保護(hù)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(tǒng)性能。監(jiān)測和校正其他關(guān)鍵組件在發(fā)熱和冷卻時的溫漂可降低系統(tǒng)故障的風(fēng)險。
溫度傳感基本原理
在嵌入式系統(tǒng)中，總是需要更高的性能、更多的功能和更小的外形尺寸。鑒于這種需求，設(shè)計人員必須監(jiān)測整體溫度以確保安全并保護(hù)系統(tǒng)。在應(yīng)用中集成更多傳感器進(jìn)一步推動了對溫度測量的需求，不僅要測量系統(tǒng)條件或環(huán)境條件，還要補償溫度敏感元件并保持整體系統(tǒng)精度。
實現(xiàn)高效溫度監(jiān)測和保護(hù)的注意事項包括：
• 精度: 傳感器精度表示溫度與真實值的接近程度。在確定精度時，必須考慮所有因素，包括采集電路以及整個工作溫度范圍內(nèi)的線性度。
• 尺寸: 傳感器的尺寸會對設(shè)計產(chǎn)生影響，而分析整個電路有助于實現(xiàn)更優(yōu)化的設(shè)計。傳感器尺寸還決定了熱響應(yīng)時間，這對于體溫監(jiān)測等應(yīng)用非常重要。
• 傳感器放置: 傳感器的封裝和放置會影響響應(yīng)時間和傳導(dǎo)路徑；這兩個因素都對高效溫度設(shè)計至關(guān)重要。工業(yè)中常見的溫度傳感器技術(shù)包括集成電路 (IC) 傳感器、熱敏電阻、RTD 和熱電偶。表 1 比較了在為設(shè)計挑戰(zhàn)評選適合的技術(shù)時參考的主要特性。
表 1. 比較溫度傳感技術(shù)
系統(tǒng)溫度監(jiān)測
對于許多系統(tǒng)設(shè)計，有必要監(jiān)測高功率組件（處理器、現(xiàn)場可編程門陣列、場效應(yīng)晶體管）以確保系統(tǒng)和用戶安全。溫度讀數(shù)的精確性非常重要，因為它使設(shè)計人員能夠在提高性能的同時保持在安全限制內(nèi)，或者通過避免在其他地方過度設(shè)計來降低系統(tǒng)成本。德州儀器 (TI) 的緊湊型高精度溫度傳感器產(chǎn)品系列可以更靠近這些關(guān)鍵組件放置，實現(xiàn)最精確的測量。
電路中的溫度問題會影響系統(tǒng)性能并損壞昂貴組件。通過測量印刷電路板 (PCB) 中存在熱點或高耗電集成電路(IC) 的區(qū)域的溫度，有助于識別熱問題，進(jìn)而及時采取預(yù)防或糾正措施。
您可能希望監(jiān)測高耗電 IC（例如中央處理單元、專用 IC、現(xiàn)場可編程門陣列或數(shù)字信號處理器）的管芯溫度以動態(tài)調(diào)整其性能，或者可能希望監(jiān)測功率級周圍的熱區(qū)，以便控制系統(tǒng)中的風(fēng)扇速度或啟動安全系統(tǒng)關(guān)閉程序。最終目標(biāo)是優(yōu)化性能并保護(hù)昂貴的設(shè)備。圖 1 顯示了高性能計算機主板上的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。
圖 1.復(fù)合型 PCB 板上的溫度監(jiān)測
諸如中央處理單元 (CPU)、圖形處理單元 (GPU)、專用集成電路 (ASIC) 和現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 之類的高性能處理器中的電源管理通常很復(fù)雜。通過溫度監(jiān)測，這些系統(tǒng)不僅可以啟動安全系統(tǒng)關(guān)閉程序，還可以利用溫度數(shù)據(jù)來動態(tài)調(diào)整性能。
監(jiān)測過程溫度可以提高系統(tǒng)可靠性并最大限度提升性能。如圖 2 所示，高性能處理器通常使用散熱器吸收管芯中的過多熱量。較高的溫度可能會激活散熱風(fēng)扇，修改系統(tǒng)時鐘，或者在處理器超過其溫度閾值時快速關(guān)閉系統(tǒng)。
圖 2.搭載高性能處理器的主板通常需要散熱器
環(huán)境溫度監(jiān)測
在許多應(yīng)用中，環(huán)境空氣溫度監(jiān)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(zhǔn)確快速地測量環(huán)境溫度通常面臨挑戰(zhàn)，因為傳感器可能不會完全暴露于外部環(huán)境并可能受到系統(tǒng)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，可實現(xiàn)更快的熱響應(yīng)。
使用表面貼裝器件來測量環(huán)境溫度可能具有挑戰(zhàn)性，因為來自其他高耗電電子元件的熱傳遞會影響傳感器的溫度讀數(shù)。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(dǎo)熱路徑、隔離傳感器封裝以及將器件放置在遠(yuǎn)離干擾熱源的位置。圖 3 顯示了一種使用這些方法的簡單恒溫器設(shè)計。在圖 3 中，系統(tǒng)自發(fā)熱產(chǎn)生的被動氣流在溫度傳感器 A上方吸入外部空氣。傳感器放置在遠(yuǎn)離主要熱源（中央處理單元）的進(jìn)氣口處，并經(jīng)過隔熱以確保更精確的測量。
圖 3.溫度傳感器恒溫器設(shè)計熱輻射和印刷電路板 (PCB) 布局
體溫監(jiān)測
了解患者的體溫是任何臨床診斷的關(guān)鍵第一步，也是運動員的重要關(guān)注點。除了要求超高精度外，行業(yè)正朝著緊湊型可穿戴設(shè)備的方向發(fā)展，以提供持續(xù)的溫度監(jiān)測。精度高達(dá) 0.1°C 的溫度傳感器不僅符合美國材料與試驗協(xié)會 (ASTM) E1112 對醫(yī)用溫度計的要求，而且還經(jīng)過優(yōu)化，可使電池供電的可穿戴設(shè)備保持緊湊和舒適。
在臨床環(huán)境中監(jiān)測患者生命體征通常是需要經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)的昂貴系統(tǒng)所執(zhí)行的工作，需要將患者束縛在臨床監(jiān)護(hù)儀旁邊。無線患者監(jiān)測系統(tǒng)可提供患者舒適性和臨床便利性，只要仍然符合嚴(yán)格的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)即可。
在設(shè)計可穿戴式溫度監(jiān)測儀時，需要在功耗、尺寸、系統(tǒng)性能（射頻 [RF] 和精度方面）和患者舒適度之間進(jìn)行許多權(quán)衡。例如，更輕薄、更柔軟的電池提供更大的舒適性，但可能需要更精心的電源管理。
更小、更低成本的設(shè)計需要在隔熱和射頻性能方面做出犧牲。用于長期監(jiān)測的解決方案必須充分利用電路板面積來提高精度和信號完整性，同時盡可能降低電流消耗。系統(tǒng)設(shè)計人員必須平衡這些要求以及患者的舒適度和體驗。
閾值檢測
對于某些應(yīng)用，不需要連續(xù)溫度采集，但系統(tǒng)保持高于或低于溫度閾值至關(guān)重要。TI 的溫度開關(guān)和數(shù)字溫度傳感器可實現(xiàn)簡單的自主溫度監(jiān)測，從而通過遲滯功能檢測溫度是否超過極限。這些器件允許通過外部電阻器（可通過引腳編程、工廠編程或通過 I2C 進(jìn)行設(shè)置）選擇閾值跳閘點。
在控制系統(tǒng)中，工作溫度是影響系統(tǒng)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(tǒng)的影響可以幫助系統(tǒng)設(shè)計人員預(yù)測和防止熱損壞。
通常，控制系統(tǒng)的行為很好理解，并且它們在有限的溫度范圍內(nèi)工作。在該溫度范圍之外工作時，控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)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(dǎo)致代價高昂的故障。
TMP303 集成式溫度開關(guān)采用窗口比較器，可通過超小尺寸（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(shè)計靈活性。此器件運行時無需額外組件，并可以獨立于微處理器或微控制器工作。通過不同的器件選項可獲得七個跳閘點，這些均可在出廠時編程為任何所需溫度。
如圖 4 所示的 TMP390 是一個可通過電阻器進(jìn)行編程并具有兩個內(nèi)部比較器和兩個輸出的雙輸出溫度開關(guān)。TMP390 具有超低功耗（最大 1μA）和低電源電壓(1.62V) 特性。高溫跳閘點和低溫跳閘點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，只需兩個電阻器即可實現(xiàn)。單獨的高低溫跳閘輸出會產(chǎn)生獨立的警告信號供微處理器解釋。
圖 4.TMP390 框圖
溫度補償和校準(zhǔn)
溫度漂移必須是糾正任何系統(tǒng)溫度變化的一個因素。溫度將影響從無源組件（電阻器和電容器）到有源組件（放大器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓源、時鐘）的所有組件。光學(xué)元件也會受到溫度漂移的影響，導(dǎo)致改變強度、光譜偏移、靈敏度和噪聲。TI 的高線性度、高精度溫度傳感器可以提供反饋來糾正精密系統(tǒng)中的溫度影響。
現(xiàn)場變送器廣泛用于工廠自動化和控制到感應(yīng)過程參數(shù)，如溫度、壓力和流速。現(xiàn)場變送器中使用的傳感器主要是模擬傳感器，必須使用模擬前端來精確采樣。由于現(xiàn)場變送器的布局方式所引起的工作條件，現(xiàn)場變送器可能要經(jīng)受寬溫度范圍，因此需要某種形式的溫度補償。溫度補償系統(tǒng)在傳統(tǒng)上使用精確的溫度傳感器，如鉑電阻溫度檢測器 (RTD)，特別是在需要高精度和長使用壽命的工業(yè)應(yīng)用中。
大多數(shù) RTD 應(yīng)用使用電流源來激勵 RTD 元件并在 RTD上產(chǎn)生電壓差，如圖 5 所示。該電壓與 RTD 的電阻和激勵電流成比例。電壓電勢經(jīng)過放大，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，然后饋入微控制器 (MCU)，在其中通過查找表將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為溫度。
圖 5.基本 RTD 電路
TMP117 是一款專為低功耗、高精度應(yīng)用而設(shè)計的數(shù)字溫度傳感器。該器件提供 16 位溫度結(jié)果且分辨率為0.0078°C；經(jīng)過工廠校準(zhǔn)的性能精度在 -25°C 至 +50°C范圍內(nèi)為 ±0.1°C；在 -55°C 至 +150°C 的整個工作溫度范圍內(nèi)為 ±0.3°C，這超過了 AA 類 RTD 的精度。
圖 6 顯示了對 TMP117 進(jìn)行的油浴實驗的結(jié)果。該圖顯示出 TMP117 可以滿足 CJC 應(yīng)用所需的 AA 類 RTD 的精度。
圖 6.TI TMP117 與 RTD 精度比較
TI的傳感器產(chǎn)品組合使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)大型設(shè)計，并且具有高精度，小尺寸的小型設(shè)計傳感器。該產(chǎn)品組合具有業(yè)界領(lǐng)先的封裝選項和世界上許多選項, 精確的傳感器，用于設(shè)計可靠的系統(tǒng)，及精確地智能預(yù)測。
本文轉(zhuǎn)載自TI.
本文轉(zhuǎn)載自TI.
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