热管理设计中的温度检测 温度检测, 电路板, 传感器, 测量

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热管理  温度检测 使用温度传感器的第一步是根据具体应用正确选择传感器类型。首先，理解需要测量的目标温度。 　　检测PCB温度
　　表贴传感器非常适合PCB(印制电路板)测温。RTD(电阻温度检测器)、热敏电阻和IC(集成电路)传感器都提供表贴封装，而且温度范围适合于PCB的温度检测。由于IC传感器所固有的线性度高、成本低等特性，通常是这类应用的最佳选择。IC传感器还可提供其它功能，例如：数字接口或温度监控功能。相对于其他技术而言，这些功能使其在系统成本、设计复杂度和性能方面占据很大优势。
　　精确测量PCB温度的关键之一是把传感器置于正确的位置。多数情况是关注某个特定器件或器件组的温度测量，以确保温度不超出安全工作范围，或者是补偿由于温度引起的器件性能的变化。如果传感器的位置非常敏感，最好使用小尺寸封装的温度传感器，例如TDFN、SC70或SOT23封装，可以很容易地把传感器置于合适位置。需要将传感器置于嘈杂或远离其它温度相关电路时，最好选择数字输出的温度传感器。如果需要监测PCB多个位置的温度，带有I2C、SMBus或1-Wire接口的本地数字温度传感器不失为最佳选择，可以将具有不同从地址的器件挂接到同一总线。许多常见的I2C传感器提供设置不同从地址的输入。例如，MAX7500和DS75LX都带有3个地址输入。
　　另一种监测多个PCB位置的方法是采用带有分立晶体管温度检测的多通道远端温度传感器。图1所示提供了一个示例，其中MAX6697监测其内部温度，并利用分立晶体管监测6路外部温度，总共可监测7个温度点，而仅需单个I2C从地址。

　　检测环境温度
　　由于传感器的温度必须与空气温度相同，并且与其它不同温度的所有部件(PCB、电源、CPU)相隔离，因此，测量环境温度比较困难。热敏电阻、热电偶和RTD可带有长引线，如果引线足够长且足够细，即可帮助检测元件与PCB之间的隔热。如果检测元件与PCB具有足够的隔离，其温度将为环境温度。这三种类型的传感器中，由于热敏电阻成本低、信号调理要求简单，被广泛用于通用的环境温度检测。图2所示为如何利用热敏电阻、热电偶或RTD测量环境温度的示例。图中，热敏电阻与电路板的表面具有很好隔离，长引线有助于提供与电路板的隔热。

　　由于IC传感器的最佳导热通路是与电路板具有相同温度的引脚，使用表贴封装的温度传感器IC测量环境温度将更加困难。如果PCB处于测温环境内，安装在PCB上的传感器即可用来测量环境温度。但是，如果PCB上的元件耗散功率过大，温度将高于环境温度，IC测量的温度是升高后的PCB温度，而不是环境温度。注意，即使采用传统封装，例如TO92，IC传感器的位置在PCB的上方，也会通过引脚传导热量，测得的温度实际等于PCB温度。图3所示为板装TO92封装的温度传感器IC。板装传感器能很好地测量PCB温度，但不适合用于测量环境温度。
　　尽管容易受PCB温度的影响，传感器IC依然是测量空气温度的最佳方案，因为它们不仅仅是传感器——往往还提供更多其它功能，例如：数字输出、可寻址能力或温度监控功能。在使用TO92封装IC检测环境温度时，请使用双绞线将传感器与PCB隔离开。与使用热敏电阻一样，如果引线足够长且足够细，可实现足够的隔热，从而获得准确的环境温度读数。图4所示是按照这种方式使用TO92传感器的示例，采用Maxim的1-Wire接口数字温度传感器。二极管温度传感器亦可用来测量环境温度。这种情况下，可以把分立晶体管安装在双绞线的末端。Maxim的任何远端二极管传感器均可用来测量晶体管温度。
　　CPU、图形处理器、FPGA、ASIC、功率器件的温度检测
　　如远端数字温度传感器部分所述，有些元件，尤其是高性能IC，例如CPU、GPU和FPGA，都有一个双极型晶体管，用于温度测量。该晶体管通常采用集电极接地的PNP管。基极和发射极构成“二极管”连接。由于测温晶体管位于IC管芯，测量精度远远优于其他技术，而且导热时间常数相当小。Maxim的远端二极管传感器专门优化用于此类器件的温度监测。注意，不同IC的温度测量二极管的理想因子和串联电阻会有所不同。这些差异的影响在远端二极管传感器应用指南部分进行了说明。

        有些IC没有安装测温二极管，但集成了热敏电阻帮助监测温度(参见热敏电阻部分)。这些热敏电阻很难使用，具有非常小的温度系数且精度差。标称25℃下阻值变化产生的误差会达到±50℃或甚至更大。所以，在使用之前必须在一个或两个温度点对其进行校准。低温度系数使得典型热敏电阻转换器(例如MAX6698)的分辨率为6℃/LSB左右。图5所示为MAX6698对一个集成热敏电阻进行测量时，得到的热敏电阻通道编码与温度的典型关系曲线。注意，尽管测试结果有一定参考价值，但分辨率很低。
　　远端二极管传感器的应用
　　远端传感器的PCB布局指南

　　使用远端温度传感器时，遵循以下原则有助于获得最佳结果。DXP连接阳极，DXN连接阴极。注意，精度与拾取噪声总量有关，不太容易预测其影响。在交付最终布局时，务必验证精度是否满足要求。
　　1. 远端温度传感器尽量靠近测温二极管安装。在嘈杂环境下，例如计算机主板，该距离最远可达20cm。如果能够避免较强的噪声源，可适当延长距离。噪声源包括：CRT、时钟发生器、存储器总线和PCI总线。
　　2. 勿使DXP-DXN引线跨越高速数据线或在其附近平行排列，即使经过良好滤波，这些信号也很容易引入+30℃的误差。
　　3. DXP和DXN引线保持平行且彼此靠近。每对平行线应该直接连接到一个测温二极管。请务必使这些引线远离任何高压走线，例如+12VDC。必须将PCB污物造成的漏电流降至最小，DXP与地之间的20MΩ漏电阻即可造成大约+1℃的误差。如果不能避开高压走线，须在DXP-DXN外侧布置接GND的保护线(参见图6)。
　　4. 尽量避免使用过孔和交叉线，将铜/焊盘的热电偶效应降至最低。
　　5. 使用尽可能宽的走线——一般为5mil至10mil。注意，如果使用长而窄的走线，需要了解引线电阻对温度的影响。
　　6. 使用嘈杂电源时，增加一个与VCC串联的电阻(最大47Ω)。
　　7. 在DXP-DXN输入跨接一个滤波电容，靠近远端传感器IC放置，电容值请参考传感器数据资料的推荐值。
　　电缆连接测温二极管 有些情况下，需要将测温二极管放置在超出常规电路板跨度的距离以外——例如，用二极管测量大型机柜另一端的温度。当距离不是很远，噪声也相对较低时，可以利用简单的双绞线连接，能够在长达3m或4m的距离内保持正常工作。对于更远距离(长达30m左右)或噪声很大，则应使用屏蔽电缆连接远端传感器，屏蔽层接地。Belden 8451电缆比较适合此类应用。注意，电缆的等效串联电阻会影响温度读数，所以最好使用具有电阻抵消功能的温度传感器，或者计算引线电阻的影响，并从测试温度中减去该值。还须注意电缆的电容，它会降低允许在测温二极管输入端使用的最大电容。
　　使用分立式测温二极管 当远端测温二极管为一个分立晶体管时，将其集电极和基极连接在一起。NPN和PNP管非常适合这种应用。表1列出了能够配合远端温度传感器使用的分立式晶体管的例子。必须采用小信号晶体管，具有相对较高的正向偏压;否则会超出A/D输入电压范围。最大预期温度下的正向偏压在10μA时必须大于0.25V，最低预期温度点下的正向偏压在100μA时必须大于0.95V，必须使用大功率晶体管，确保基极电阻小于100Ω。严谨的正向电流增益指标(比如50 < β < 150)说明制造商具有良好的过程控制，器件具有一致的VBE特性。
　　分立晶体管制造商通常不规定或保证理想因子。由于高质量的分立晶体管的理想因子通常都在相对较窄的范围内，这一点应该不成问题。我们已经注意到，采用各种不同的分立晶体管时，远端温度读数的波动小于±2℃。尽管如此，最好还是对选定厂家的多款分立式晶体管的温度读数进行一致性验证。

        测温二极管设计

　　有些IC厂商，例如：微处理器和FPGA制造商，多年以来已经在其产品中集成了测温二极管，并且掌握了这些器件的设计技术。对于初次集成测温二极管的IC设计人员，本节提供了一些有益参考：
　　1.将二极管的内阻降至最小。如上文所述，每欧姆串联电阻将引起大约+0.45℃的误差。如果在二极管连接配置中，将晶体管的基极连接至集电极，基极电阻会使β值增高。这种情况下，集电极电阻无关紧要，除非它造成二极管连接器件在100μA下出现饱和。
　　2.将晶体管的β值降至最小有助于在整个温度和电流范围内保持集电极电流比(以及精度)。
　　3.二极管的正向偏压必须在温度检测ADC的输入量程内。在整个测温范围内，正向电流为10μA时，正向偏压必须大于0.25V;正向电流为100μA，正向偏压必须小于0.95V。
　　4.大多数工艺中，没有隔离的P/N结。如果连接成二极管的晶体管满足以下限制条件，则能够正常工作：
　　A.如果是NPN管，三个端子必须与任何电源隔离开，将基极连接至集电极构成一个二极管;
　　B.如果是PNP管，可以将集电极接地，但发射极和基极必须与所有电源隔离开。
　　5.必须对测试电路进行测量，确定是否工作正常。测量精度非常重要——电压必须精确到100μV，10μA和100μA偏置电流下需要精确到±0.1%。测温晶体管能够与Maxim的所有远端温度传感器配合工作。
　　6.耦合至测温结的噪声会产生温度测量误差，需要仔细地将测温器件与噪声源隔离开，包括数字信号和嘈杂电源。
　　A.在物理位置上，将测温器件与承载高速数字信号的引线隔离开。将数字信号与测温晶体管和绑定焊盘之间的金属线也从物理上隔离开。
　　B.请勿将测温结的焊盘靠近高速数字信号的焊盘，特别是高速缓冲器输出。可能的话，将测温结的绑定焊盘靠近直流输入焊盘(例如，用于引脚设置的直流逻辑电平输入)。
　　C.用n+和p+保护环将测温器件包围起来。
　　7.图7所示为带有基底集电极的垂直PNP管的典型结构。10个发射极连接在一起，每个发射极占用20μm× 2.5μm空间。