熱管理設計中的溫度檢測

檢測位置：正確選擇傳感器的關鍵

使用溫度傳感器的第一步是根據具體應用正確選擇傳感器類型。首先，理解需要測量的目標溫度。檢測PCB溫度

表貼傳感器非常適合PCB(印制電路板)測溫。RTD(電阻溫度檢測器)、熱敏電阻和Ic(集成電路)傳感器都提供表貼封裝，而且溫度范圍適合于PCB的溫度檢測。由于Ic傳感器所固有的線性度高、成本低等特性，通常是這類應用的最佳選擇。Ic傳感器還可提供其它功能，例如：數字接口或溫度監控功能。相對于其他技術而言，這些功能使其在系統成本、設計復雜度和性能方面占據很大優勢。

精確測量PCB溫度的關鍵之一是把傳感器置于正確的位置。多數情況是關注某個特定器件或器件組的溫度測量，以確保溫度不超出安全工作范圍，或者是補償由于溫度引起的器件性能的變化。如果傳感器的位置非常敏感，最好使用小尺寸封裝的溫度傳感器，例如TDFN、SC70或sOT23封裝，可以很容易地把傳感器置于合適位置。需要將傳感器置于嘈雜或遠離其它溫度相關電路時，最好選擇數字輸出的溫度傳感器。如果需要監測PCB多個位置的溫度，帶有IzC、SMBus或l-Wire接口的本地數字溫度傳感器不失為最佳選擇，可以將具有不同從地址的器件掛接到同一總線。許多常見的12C傳感器提供設置不同從地址的輸入。例如，MAX7500和DS75Lx都帶有3個地址輸入。

另一種監測多個PCB位置的方法是采用帶有分立晶體管溫度檢測的多通道遠端溫度傳感器。圖l所示提供了一個示例，其中MAX6697監測其內部溫度，并利用分立晶體管監測6路外部溫度，總共可監測7個溫度點，而僅需單個I²c從地址。

檢測環境溫度

由于傳感器的溫度必須與空氣溫度相同，并且與其它不同溫度的所有部件(pCB、電源、CPU)相隔離，因此，測量環境溫度比較困難。熱敏電阻、熱電偶和RTD可帶有長引線，如果引線足夠長且足夠細，即可幫助檢測元件與PCB之間的隔熱。如果檢測元件與PCB具有足夠的隔離，其溫度將為環境溫度。這三種類型的傳感器中，由于熱敏電阻成本低、信號調理要求簡單，被廣泛用于通用的環境溫度檢測。圖2所示為如何利用熱敏電阻、熱電偶或RTD測量環境溫度的示例。圖中，熱敏電阻與電路板的表面具有很好隔離，長引線有助于提供與電路板的隔熱。

由于Ic傳感器的最佳導熱通路是與電路板具有相同溫度的引腳，使用表貼封裝的溫度傳感器Ic測量環境溫度將更加困難。如果PCB處于測溫環境內，安裝在PCB上的傳感器即可用來測量環境溫度。但是，如果PCB上的元件耗散功率過大，溫度將高于環境溫度，Ic測量的溫度是升高后的PCB溫度，而不是環境溫度。注意，即使采用傳統封裝，例如T092，Ic傳感器的位置在PCB的上方，也會通過引腳傳導熱量，測得的溫度實際等于PCB溫度。圖3所示為板裝T092封裝的溫度傳感器Ic。板裝傳感器能很好地測量PCB溫度，但不適合用于測量環境溫度。

盡管容易受PCB溫度的影響，傳感器Ic依然是測量空氣溫度的最佳方案，因為它們不僅僅是傳感器一一往往還提供更多其它功能，例如：數字輸出、可尋址能力或溫度監控功能。在使用T092封裝Ic檢測環境溫度時，請使用雙絞線將傳感器與PCB隔離開。與使用熱敏電阻一樣，如果引線足夠長且足夠細，可實現足夠的隔熱，從而獲得準確的環境溫度讀數。圖4所示是按照這種方式使用T092傳感器的示例，采用Maxim的l-Wire接口數字溫度傳感器。二極管溫度傳感器亦可用來測量環境溫度。這種情況下，可以把分立晶體管安裝在雙絞線的末端。Maxim的任何遠端二極管傳感器均可用來測量晶體管溫度。

如遠端數字溫度傳感器部分所述，有些元件，尤其是高性能Ic，例如CPU、GPU和FPGA，都有一個雙極型晶體管，用于溫度測量。該晶體管通常采用集電極接地的PNP管。基極和發射極構成“二極管”連接。由于測溫晶體管位于Ic管芯，測量精度遠遠優于其他技術，而且導熱時間常數相當小。Maxim的遠端二極管傳感器專門優化用于此類器件的溫度監測。注意，不同IC的溫度測量二極管的理想因子和串聯電阻會有所不同。這些差異的影響在遠端二極管傳感器應用指南部分進行了說明。

有些Ic沒有安裝測溫二極管，但集成了熱敏電阻幫助監測溫度(參見熱敏電阻部分)。這些熱敏電阻很難使用，具有非常小的溫度系數且精度差。標稱25℃下阻值變化產生的誤差會達到±50℃或甚至更大。所以，在使用之前必須在一個或兩個溫度點對其進行校準。低溫度系數使得典型熱敏電阻轉換器(例如MAX6698)的分辨率為6℃／LsB左右。圖5所示為MAX6698對一個集成熱敏電阻進行測量時，得到的熱敏電阻通道編碼與溫度的典型關系曲線。注意，盡管測試結果有一定參考價值，但分辨率很低。

遠端二極管傳感器的應用

遠端傳感器的PCB布局指南

使用遠端溫度傳感器時，遵循以下原則有助于獲得最佳結果。DXP連接陽極，DXN連接陰極。注意，精度與拾取噪聲總量有關，不太容易預測其影響。在交付最終布局時，務必驗證精度是否滿足要求。

1.遠端溫度傳感器盡量靠近測溫二極管安裝。在嘈雜環境下，例如計算機主板，該距離最遠可達20cm。如果能夠避免較強的噪聲源，可適當延長距離。噪聲源包括：CRT、時鐘發生器、存儲器總線和PCI總線。

2.勿使DXP-DXN引線跨越高速數據線或在其附近平行排列，即使經過良好濾波，這些信號也很容易引入+30℃的誤差。

3.DXP和DXN引線保持平行且彼此靠近。每對平行線應該直接連接到一個測溫二極管。請務必使這些引線遠離任何高壓走線，例如+12VDc。必須將PCB污物造成的漏電流降至最小，DXP與地之間的20M Q漏電阻即可造成大約+1℃的誤差。如果不能避開高壓走線，須在DXP-DXN外側布置接GND的保護線(參見圖6)。

4.盡量避免使用過孔和交叉線，將銅／焊盤的熱電偶效應降至最低。

s，使用盡可能寬的走線…般為5mil至10mil。注意，如果使用長而窄的走線，需要了解引線電阻對溫度的影響。

6.使用嘈雜電源時，增加一個與VCC串聯的電阻(最大47Ω)。

7.在DXP-DXN輸入跨接一個濾波電容，靠近遠端傳感器Ic放置，電容值請參考傳感器數據資料的推薦值。

電纜連接測溫二極管有些情況下，需要將測溫二極管放置在超出常規電路板跨度的距離以外一一例如，用二極管測量大型機柜另一端的溫度。當距離不是很遠，噪聲也相對較低時，可以利用簡單的雙絞線連接，能夠在長達3m或4m的距離內保持正常工作。對于更遠距離(長達30m左右)或噪聲很大，則應使用屏蔽電纜連接遠端傳感器，屏蔽層接地。Belden 8451電纜比較適合此類應用。注意，電纜的等效串聯電阻會影響溫度讀數，所以最好使用具有電阻抵消功能的溫度傳感器，或者計算引線電阻的影響，并從測試溫度中減去該值。還須注意電纜的電容，它會降低允許在測溫二極管輸入端使用的最大電容。

使用分立式測溫二極管當遠端測溫二極管為一個分立晶體管時，將其集電極和基極連接在一起。NPN和PNP管非常適合這種應用。表1列出了能夠配合遠端溫度傳感器使用的分立式晶體管的例子。必須采用小信號晶體管，具有相對較高的正向偏壓；否則會超出A／D輸入電壓范圍。最大預期溫度下的正向偏壓在10uA時必須大于0.25V，最低預期溫度點下的正向偏壓在100uA時必須大于0.95V，必須使用大功率晶體管，確保基極電阻小于100Ω。嚴謹的正向電流增益指標(比如50<β<150)說明制造商具有良好的過程控制，器件具有一致的V特性。

分立晶體管制造商通常不規定或保證理想因子。由于高質量的分立晶體管的理想因子通常都在相對較窄的范圍內，這一點應該不成問題。我們已經注意到，采用各種不同的分立晶體管時，遠端溫度讀數的波動小于±2C。盡管如此，最好還是對選定廠家的多款分立式晶體管的溫度讀數進行一致性驗證。

測溫二極管設計

有些IC廠商，例如：微處理器和FPGA制造商，多年以來已經在其產品中集成了測溫二極管，并且掌握了這些器件的設計技術。對于初次集成測溫二極管的Ic設計人員，本節提供了一些有益參考：

1.將二極管的內阻降至最小。如上文所述，每歐姆串聯電阻將引起大約+0.45℃的誤差。如果在二極管連接配置中，將晶體管的基極連接至集電極，基極電阻會使β值增高。這種情況下，集電極電阻無關緊要，除非它造成二極管連接器件在100uA下出現飽和。

2.將晶體管的β值降至最小有助于在整個溫度和電流范圍內保持集電極電流比(以及精度)。

3.二極極管的正向偏壓必須在溫度檢測ADc的輸入量程內。在整個測溫范圍內，正向電流為10BA時，正向偏壓必須大于0.25V：正向電流為100uA，正向偏壓必須小于0.95V。

4.大多數工藝中，沒有隔離的P／N結。如果連接成二極管的晶體管滿足以下限制條件，則能夠正常工作：

A.如果是NPN管，三個端子必須與任何電源隔離開，將基極連接至集電極構成一個二極管：

B.如果是PNP管，可以將集電極接地，但發射極和基極必須與所有電源隔離開。

5.必須對測試電路進行測量，確定是否工作正常。測量精度非常重要一一電壓必須精確到100uV，10ua和100pA偏置電流下需要精確到±0.1％。測溫晶體管能夠與Maxim的所有遠端溫度傳感器配合工作。

6.耦合至測溫結的噪聲會產生溫度測量誤差，需要仔細地將測溫器件與噪聲源隔離開，包括數字信號和嘈雜電源。

A.在物理位置上，將測溫器件與承載高速數字信號的引線隔離開。將數字信號與測溫晶體管和綁定焊盤之間的金屬線也從物理上隔離開。

B.請勿將測溫結的焊盤靠近高速數字信號的焊盤，特別是高速緩沖器輸出?？赡艿脑?，將測溫結的綁定焊盤靠近直流輸入焊盤(例如，用于引腳設置的直流邏輯電平輸入)。

C.用n+和p+保護環將測溫器件包圍起來。

7.圖7所示為帶有基底集電極的垂直PNP管的典型結構。10個發射極連接在一起，每個發射極占用20gm×2.5um空間。