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工程师温度传感指南—温度传感器设计挑战和解决方案, 从热敏电阻到多通道远程传感器IC①

—— 言,目录;温度传感基本原理;系统温度检测
作者:TI(德州仪器)时间:2020-01-25来源:电子产品世界收藏

目录

本文引用地址:http://www.nmwtgs.com/article/202001/409503.htm

第 1 章:温度传感基本原理(√)

第 2 章:系统温度监测(√)

第 2.1 节: 如何监测电路板温度

第 2.2 节: 高性能处理器模温监测


第 3 章:环境温度监测

第 3.1 节: 精确测量环境温度的布局注意事项

第 3.2 节: 通过可扩展的实现高效的冷链管理

第 4 章:体温监测 可穿戴式温度传感的设计挑战

第 5 章:流体温度监测 使用数字在热量计中替代 RTD

第 6 章:阈值检测 如何避免控制系统遭受热损坏

第 7 章:温度补偿和校准

第 7.1 节: 使用高精度进行温度补偿

第 7.2 节: 校准热监测系统的方法


前言: 编辑的消息

编者的话

在个人电子产品、工业或医疗应用的设计中,工程师必须 应对同样的挑战,即如何提升性能、增加功能并缩小尺 寸。除了这些考虑因素外,他们还必须仔细监测温度以确 保安全并保护系统和消费者免受伤害。

众多行业的另一个共同趋势是需要处理来自更多传感器 的更多数据,进一步说明了温度测量的重要性:不仅要测 量系统或环境条件,还要补偿其他温度敏感元件,从而确 保传感器和系统的精度。另外一个好处在于,有了精确的 温度监测,无需再对系统进行过度设计来补偿不准确的 温度测量,从而可以提高系统性能并降低成本。

温度设计挑战分为三类:

温度监测:温度传感器提供有价值的数据来持续跟 踪温度条件,并为控制系统提供反馈。此监测可以是 系统温度监测或环境温度监测。在一些应用中,我们 可以看到设计挑战的特点是需要在控制回路中同时 实现这两种监测。这些监测包括系统温度监测、环境 温度监测以及身体或流体温度监测。

温度保护:在多种应用中,一旦系统超过或低于功能 温度阈值,便需要采取措施。温度传感器在检测到事 先定义的条件时提供输出警报以防止系统损坏。在 不影响系统可靠性的情况下提升处理器吞吐量是可 行的。系统经常过早启动安全热关断,结果造成高达 5°C 甚至 10°C 的性能损失。当系统超过或低于功能 温度阈值时,工程师可以自主启动实时保护措施。

温度补偿:温度传感器可以在正常工作期间随温度 变化最大限度提高系统性能。监测和校正其他关键 组件在发热和冷却时的温漂可降低系统故障的风险。 本电子书将提供一些 TI 应用简介,由此说明使用不同温 度传感技术的各种应用的设计注意事项。书中的章节首先介绍主要的温度挑战,然后重点说明各种应用的设计 注意事项,评估温度精度和应用尺寸之间的权衡,同时讨论传感器放置方法。


第1章:温度传感基本原理

简介

在嵌入式系统中,总是需要更高的性能、更多的功能和更 小的外形尺寸。鉴于这种需求,设计人员必须监测整体温 度以确保安全并保护系统。在应用中集成更多传感器进 一步推动了对温度测量的需求,不仅要测量系统条件或 环境条件,还要补偿温度敏感元件并保持整体系统精度。

温度设计注意事项 实现高效温度监测和保护的注意事项包括:

精度。传感器精度表示温度与真实值的接近程度。在确定精度时,必须考虑所有因素,包括采集电路以及整个工作温度范围内的线性度。

尺寸。传感器的尺寸会对设计产生影响,而分析整个电路有助于实现更优化的设计。传感器尺寸还决定 了热响应时间,这对于体温监测等应用非常重要。

传感器放置。传感器的封装和放置会影响响应时间和 传导路径;这两个因素都对高效温度设计至关重要。

工业中常见的温度传感器技术包括集成电路 (IC) 传感器、热敏电阻、RTD 和热电偶。表 1 比较了在为设计挑战评选适合的技术时参考的主要特性。

IC 传感器

IC 温度传感器取决于硅带隙的预测温度依赖性。如图 1 和公式 1 所示,精密电流为内部正向偏置 P-N 结提供电源,从而产生对应于器件温度的基极-发射极电压变化。

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图 1.硅带隙的温度依赖性。

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等式1:温度依赖性硅带隙公式。

 (ΔVBE)。 鉴于硅的可预测行为,IC 可在宽泛的温度范围内提供高线性度和精度(高达 ±0.1°C)。这些传感器可以集成系统功能,例如模数转换器 (ADC) 或比较器,最终可以降低系统复杂性并减小整体占用空间。这些传感器通常采用表面贴装和穿孔封装技术。

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表1. 比较温度传感技术。

热敏电阻

热敏电阻是无源组件,其电阻很大程度上取决于温度。 热敏电阻分为两类:正温度系数 (PTC) 和负温度系数 (NTC)。

虽然热敏电阻针对板载和非板载温度传感方式提供了多种封装选择,但与 IC 传感器相比,其实现方案通常需要 更多的系统组件。硅基 PTC 热敏电阻具有线性特征,而 NTC 热敏电阻具有非线性特征,通常会增加校准成本和软件开销。

图 2 显示了典型的热敏电阻实现方案。通:苣讶范ㄈ 敏电阻的真实系统精度。NTC 系统误差的影响因素包括 NTC 容差、偏置电阻器(易受温漂影响)、ADC(可能导致 量化误差)、NTC 固有的线性化误差以及基准电压。

RTD

RTD 是由铂、镍或铜等纯净材质制成的温度传感器,具有高度可预测的电阻/温度关系。

铂 RTD 可在高达 600°C 的宽泛温度范围内提供高精度和高线性度。如图 3 所示,一个采用模拟传感器的实现方案中包括复杂的电路和设计挑战。最终,为了实现精确的 系统,需要进行复杂的误差分析,这是因为产生影响的组件数量较多,而这也会影响系统的整体尺寸。RTD 还需 要在制造期间进行校准,而后每年进行现场校准。

RTD 系统误差的影响因素包括 RTD 容差、自发热、ADC 量化误差和基准电压。

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图 2.典型的热敏电阻实现方案。

热电偶

热电偶由两个不同的电导体组成,这两个电导体在不同的温度下形成电结。由于热电塞贝克效应,热电偶产生与温度相关的电压。该电压转换为热端和冷端之间的温差。

必须知道冷端的温度才能获得热端温度。由于有两个系统具有相互影响的单独容差和能力,这里的精度将受到限制。图 4 显示了一个典型的 CJC 实现方案,其中采用 热电偶和外部传感器来测定热端温度。

热电偶不需要外部激励,因此不会受到自发热问题的影响。它们还支持极端温度 (>2,000°C)。

虽然热电偶坚固耐用且价格低廉,但它们却需要额外的 温度传感器来支持 CJC。热电偶往往具有非线性特征,并 且对于热电偶与电路板连接处的寄生结非常敏感。

对热电偶进行数字化容易受到先前讨论的 ADC 误差的影响。

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图 3.复杂的四线 RTD 电路。

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图 4.带有冷端补偿 (CJC) 温度传感器的热电偶。


第2章: 系统温度监测

对于许多系统设计,有必要监测高功率组件(处理器、现 场可编程门阵列、场效应晶体管)以确保系统和用户安全。温度读数的精确性非常重要,因为它使设计人员能够在提高性能的同时保持在安全限制内,或者通过避免在其他地方过度设计来降低系统成本。德州仪器 (TI) 的紧 凑型高精度温度传感器产品系列可以更靠近这些关键组件放置,实现最精确的测量。

第 2.1 节 

如何监测电路板温度

简介

电路中的温度问题会影响系统性能并损坏昂贵组件。通过测量印刷电路板 (PCB) 中存在热点或高耗电集成电路 (IC) 的区域的温度,有助于识别热问题,进而及时采取预防或纠正措施。

您可能希望监测高耗电 IC(例如中央处理单元、专用 IC、 现场可编程门阵列或数字信号处理器)的管芯温度以动 态调整其性能,或者可能希望监测功率级周围的热区,以 便控制系统中的风扇速度或启动安全系统关闭程序。

最终目标是优化性能并保护昂贵的设备。图 1 显示了高性能计算机主板上的温度监测系统。

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从 PCB 到温度传感器的热传递

本地温度传感器测量它们自己的管芯温度以确定特定区 域的温度。因此,了解管芯与传感器周围物体或环境之间的主要温度传导路径至关重要。主要通过两种路径导热: 通过连接到封装的管芯连接焊盘 (DAP)(图 2)或通过封装引线引脚。DAP(如果存在)提供 PCB 和管芯之间最要的导热路径。

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如果封装类型不包含 DAP(图 3),则引线和引脚提供最主要的导热路径。 模塑化合物提供额外的导热路径,但由于其低导热性,通 过模塑化合物本身进行的任何热传递均比通过引线或 DAP 进行的热传递更慢。

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热响应

封装类型决定了温度传感器对温度变化的响应速度。图 4 显示了用于温度测量的不同类别的选定表面贴装技术 封装类型的相对热响应速率。

不带模塑化合物的封装(芯片级封装、管芯尺寸球栅阵列封装)和带有 DAP 的封装(四方扁平无引线 [QFN] 封装、 双边扁平无引线 [DFN] 封装)是专为需要从 PCB 快速进行热传递的应用而设计的,而不带 DAP 的封装是专为需要较慢响应速率的应用而设计的。快速的热响应速率使温度传感器能够快速响应任何温度变化,从而提供准确的读数。

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设计准则 — 底部安装

传感器位置应尽可能靠近要监测的热源。应避免在发热 IC 和温度传感器之间的 PCB 上穿孔或切口,因为这可能会减慢或阻止热响应。如果可能,请将温度监测器安装在 PCB 底部直接位于热源下方,如图 5 所示。T

I 建议使用过孔将热量从 PCB 的一侧快速传递到另一 侧,因为与 FR-4 相比,过孔具有更好的铜导热性。可以使用尽可能多的并行过孔或填充式传导过孔,将热量从热源传递到温度监测器,以便在两个 IC 之间实现快速热平衡。带有 DAP 的 QFN 或 DFN 封装有助于进一步缩短过孔与传感器管芯之间的热阻路径。

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设计准则 — 地层注意事项

如果将温度传感器放置在热源的另一侧是不切实际或不划算的做法,请将其放置在尽可能靠近热源的同一侧,如 图 6 所示。 在热源和温度监测器之间建立热平衡的最有效方法是使用地层。应使用从热源延伸到温度传感器的坚固地层。

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结论

在具有热电区域或高耗电 IC 的 PCB 设计中,温度监测至关重要。必须评估本地温度传感器的选择是否符合相关设计的系统要求和保护方案。

应考虑传感器位置和高导热率路径,以此在传感器和发热元件之间建立快速热平衡。

表 1 列出了有关布局建议的其他资源。

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第 2.2 节   高性能处理器模温监测

简介

诸如中央处理单元 (CPU)、图形处理单元 (GPU)、专用集成电路 (ASIC) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 之类的高性能处理器中的电源管理通:芨丛。通过温度监测,这些系统不仅可以启动安全系统关闭程序,还可以利用温度数据来动态调整性能。

监测过程温度可以提高系统可靠性并最大限度提升性能。如图 1 所示,高性能处理器通常使用散热器吸收管芯中的过多热量。较高的温度可能会激活散热风扇,修改系统时钟,或者在处理器超过其温度阈值时快速关闭系统。

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管芯温度监测的设计注意事项

为了实现高效的温度监测,高性能处理器有两个设计注意事项:温度精度和传感器放置。处理器的温度精度直接与传感器位置相关。

如图 2 所示,通过高精度的温度监测,可以最大限度提高处理器性能,从而将系统推动到其温度设计极限。虽然大 多数集成电路都有内置的温度传感器,但由于晶圆和其他各批次之间的差异,这些传感器的精度并不一致。另外,必须根据基准来调理处理器,从而调整相对于管芯温度的系数。高性能处理器本身具有复杂的电路并会引起自发热,因此会产生随温度增加的温度误差。如果设计的 系统具有较低精度和温度误差,系统的性能将无法在其温度设计极限内达到最大化。

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传感器放置和精度

集成的温度传感器或温度二极管或外部温度传感器可以监测处理器的热性能。在某些情况下,同时使用内部和外 部传感器可以最大化系统性能并提高可靠性。

双极结晶体管集成温度传感器

一些高性能处理器包含用于温度传感的双极结型晶体管 (BJT)。BJT 具有取决于温度且可预测性极高的传递函数。远程温度传感器使用此原理来测量管芯温度。在互补金属氧化物半导体工艺中最常见的 BJT 是 P 沟道 N 沟道 P 沟道 (PNP)。图 3 显示了一个用于测量 PNP 晶体管 连接配置的远程温度监测电路。

由于晶圆和不同批次之间的差异引起的噪声和误差,设计远程温度监测系统的过程可能充满挑战。温度二极管误差可能由以下原因引起:

想因子变化。BJT 温度二极管的特性取决于工艺几何因素和其他工艺变量。如果知道理想因子 n,则可 以使用 n 因子寄存器来校正 n 因子误差。或者,可以 使用软件校准方法来校正所需温度范围内的理想因 子变化。

串联电阻。由于电流源,信号路径中的任何电阻都将引起电压失调。现代远程温度传感器采用串联电阻算法,可消除由高达 1-2kΩ 的电阻引起的温度误差。 即使与电阻-电容滤波器结合使用,该算法也能实现 稳健、精确的测量结果。

噪声注入。当二极管走线与承载高电流的高频信号线 并行排布时,耦合到远端印刷电路板走线中的电磁 干扰或电感可能导致误差。这是远程温度传感器最 重要的电路板设计注意事项之一。

Beta 补偿。集成到 FPGA 或处理器中的温度晶体管 的 Beta 值可能小于 1。具有 Beta 补偿的远程温度传 感器专门设计用于与这些晶体管结合使用并校正与 它们相关的温度测量误差。与分立式晶体管一起使 用时,Beta 补偿特性不会带来任何好处。

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器件建议

TMP421 提供单个通道来监测 BJT;也有多通道远程温 度传感器支持多达八个通道,可在本地和远程测量温度。

TMP451 在本地和远程均可提供高精度 (0.0625°C) 温度测量。服务器、笔记本电脑和汽车传感器融合应用可受益于多通道远程传感器。

外部温度传感器

虽然内置温度传感器位置最佳,但其精度低至 ±5°C。添加外部本地温度传感器可以提高管芯温度精度并提升系统性能。当集成的管芯温度传感器不可用时,也可以使用 本地温度传感器。然而,对于本地温度传感器,传感器位 置是重要的设计注意事项。图 4 显示了放置本地温度传 感器的一些选项:位置 a、b 和 c。

位置 a。位于微处理器散热器中心钻孔中的传感器与管芯非常靠近。散热器可以夹持到处理器上,或者用环氧树脂贴附到处理器顶部。此位置的温度传感器 通常需要较长的引线,而随着散热器到微处理器之 间的导热性能逐渐下降,传感器数据将变得不正确。

位置 b。另一个放置传感器的潜在位置是在处理器插座下方的空腔中,此处的组装非常简单直接。鉴于传感器与气流隔离,环境温度对传感器读数的影响极小。此外,如果散热器与处理器分离,传感器将显示 处理器温度升高。尽管如此,如果采用这种传感器放 置方式,传感器和处理器之间的温差可能在 5°C 到 10°C 之间。

位置 c。传感器可以安装在微处理器单元 (MPU) 旁边的电路板上。虽然这种安装方式易于实施,但传感器温度与 MPU 温度之间的相关性要弱得多。

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器件建议

占位尺寸是选择本地温度传感器时需要考虑的一个因素。TMP112 采用 1.6mm x 1.6mm 封装,可以靠近处理器使用。与集成在处理器内部的温度传感器通常只有 5°C 至 20°C 的精度相比,TMP112 器件的 0.5°C 精度可以最大限度提高性能。

有关设计具有远程温度传感器和外部温度监测功能的管芯温度监测应用的其他资源,请参阅表 1。

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第2章: 系统温度监测

对于许多系统设计,有必要监测高功率组件(处理器、现 场可编程门阵列、场效应晶体管)以确保系统和用户安全。温度读数的精确性非常重要,因为它使设计人员能够在提高性能的同时保持在安全限制内,或者通过避免在其他地方过度设计来降低系统成本。德州仪器 (TI) 的紧 凑型高精度温度传感器产品系列可以更靠近这些关键组件放置,实现最精确的测量。

第 2.1 节 

如何监测电路板温度

简介

电路中的温度问题会影响系统性能并损坏昂贵组件。通过测量印刷电路板 (PCB) 中存在热点或高耗电集成电路 (IC) 的区域的温度,有助于识别热问题,进而及时采取预防或纠正措施。

您可能希望监测高耗电 IC(例如中央处理单元、专用 IC、 现场可编程门阵列或数字信号处理器)的管芯温度以动 态调整其性能,或者可能希望监测功率级周围的热区,以 便控制系统中的风扇速度或启动安全系统关闭程序。

最终目标是优化性能并保护昂贵的设备。图 1 显示了高性能计算机主板上的温度监测系统。

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从 PCB 到温度传感器的热传递

本地温度传感器测量它们自己的管芯温度以确定特定区 域的温度。因此,了解管芯与传感器周围物体或环境之间的主要温度传导路径至关重要。主要通过两种路径导热: 通过连接到封装的管芯连接焊盘 (DAP)(图 2)或通过封装引线引脚。DAP(如果存在)提供 PCB 和管芯之间最要的导热路径。

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如果封装类型不包含 DAP(图 3),则引线和引脚提供最主要的导热路径。 模塑化合物提供额外的导热路径,但由于其低导热性,通 过模塑化合物本身进行的任何热传递均比通过引线或 DAP 进行的热传递更慢。

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热响应

封装类型决定了温度传感器对温度变化的响应速度。图 4 显示了用于温度测量的不同类别的选定表面贴装技术 封装类型的相对热响应速率。

不带模塑化合物的封装(芯片级封装、管芯尺寸球栅阵列封装)和带有 DAP 的封装(四方扁平无引线 [QFN] 封装、 双边扁平无引线 [DFN] 封装)是专为需要从 PCB 快速进行热传递的应用而设计的,而不带 DAP 的封装是专为需要较慢响应速率的应用而设计的。快速的热响应速率使温度传感器能够快速响应任何温度变化,从而提供准确的读数。

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设计准则 — 底部安装

传感器位置应尽可能靠近要监测的热源。应避免在发热 IC 和温度传感器之间的 PCB 上穿孔或切口,因为这可能会减慢或阻止热响应。如果可能,请将温度监测器安装在 PCB 底部直接位于热源下方,如图 5 所示。T

I 建议使用过孔将热量从 PCB 的一侧快速传递到另一 侧,因为与 FR-4 相比,过孔具有更好的铜导热性。可以使用尽可能多的并行过孔或填充式传导过孔,将热量从热源传递到温度监测器,以便在两个 IC 之间实现快速热平衡。带有 DAP 的 QFN 或 DFN 封装有助于进一步缩短过孔与传感器管芯之间的热阻路径。

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设计准则 — 地层注意事项

如果将温度传感器放置在热源的另一侧是不切实际或不划算的做法,请将其放置在尽可能靠近热源的同一侧,如 图 6 所示。 在热源和温度监测器之间建立热平衡的最有效方法是使用地层。应使用从热源延伸到温度传感器的坚固地层。

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结论

在具有热电区域或高耗电 IC 的 PCB 设计中,温度监测至关重要。必须评估本地温度传感器的选择是否符合相关设计的系统要求和保护方案。

应考虑传感器位置和高导热率路径,以此在传感器和发热元件之间建立快速热平衡。

表 1 列出了有关布局建议的其他资源。

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关键词: 温度传感器 概述

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