本文提供了關于負溫度系數（NTC）熱敏電阻以及如何基本使用它們的簡單直觀的教程，特別是在電源穩壓器中。一個很好的例子是它們用于消除溫度對LCD顯示器對比度的影響。本文展示了兩種簡單的NTC熱敏電阻線性化技術，并通過穩壓器設計程序和示例演示了其應用。每個示例都包含一個原理圖，并將測量的輸出電壓與溫度與目標進行比較。

根據定義，電源穩壓器設計用于提供穩定的輸出電壓，盡管線路（輸入電壓）、負載和溫度發生變化。雖然對于大多數應用來說，穩定的輸出是目標，但在某些應用中，提供與溫度相關的輸出電壓是有利的。本文提供在溫度跟蹤電源中使用負溫度系數（NTC）熱敏電阻的教程、設計過程和電路示例。

到目前為止，溫度相關調節最常見的應用是LCD偏置電源，其中顯示器的對比度會隨環境溫度而變化。通過施加溫度相關的偏置電壓，LCD的溫度效應可以自動消除，以在很寬的溫度范圍內保持恒定的對比度。本文中的示例針對LCD偏置解決方案;但是，教程和設計公式很簡單，可以很容易地應用于各種電路。

為什么選擇NTC熱敏電阻？

NTC熱敏電阻為溫度相關調節提供了近乎最佳的解決方案。它成本低廉，可通過各種供應商（村田制作所、松下等）輕松獲得，并提供從 0402 尺寸到 1206 尺寸的小型表面貼裝封裝。此外，只需基本了解，NTC熱敏電阻即可直接應用于您的電路。

NTC特性

顧名思義，熱敏電阻只是一個與溫度相關的電阻。遺憾的是，這種依賴關系是非常非線性的（見圖1），并且本身對大多數應用程序沒有多大幫助。幸運的是，有兩種簡單的技術可以線性化熱敏電阻的行為。

圖1.NTC熱敏電阻電阻隨溫度變化極非線性。這使得熱敏電阻難以不在線性化網絡中應用。（R25乙= 10kΩ， β = 3965K）。

NTC熱敏電阻電阻隨溫度變化的標準公式如下：

其中 R25乙是熱敏電阻在室溫下的標稱電阻，β （β）是熱敏電阻的材料常數，單位為K，T是熱敏電阻的實際溫度（以攝氏度為單位）。

該方程非常接近實際溫度特性，如圖2所示。請注意 Y 軸使用對數刻度。

圖2.熱敏電阻電阻與溫度的關系在半對數圖上幾乎是線性的。實際測得的熱敏電阻與Beta公式相匹配，精度相當高。（R25乙= 10kΩ， β = 3965K）。

R25乙β通常發布在制造商的數據表中。R 的典型值25乙范圍從22Ω到500kΩ。β的典型值為 2500 至 5000K。

如圖3所示，較高的β值提供更高的溫度依賴性，當需要在較窄的溫度范圍內獲得更高的分辨率時非常有用。相反，較低的β值提供較少的斜率溫度依賴性，并且在較寬的溫度范圍內工作時更理想。

圖3.NTC熱敏電阻由其室溫電阻（R25乙）及其材料常數β（Beta）。Beta 是溫度依賴性斜率的量度。（R25乙= 10kΩ，β K）。

自加熱

熱敏電阻是一種電阻器，就像任何電阻器一樣，只要電流通過它，它就會產生熱能。熱能導致NTC熱敏電阻的電阻降低，然后指示溫度略高于環境溫度。在制造商的數據手冊和應用筆記中，通常會有表格、公式和文本詳細說明這種現象。但是，如果通過熱敏電阻的電流保持相對較低，使得自發熱誤差與所需的測量精度相比很小，則這些可能會在很大程度上被忽略，如本文的設計示例所示。

線性化

NTC熱敏電阻應用于線性化電路時最容易使用。線性化有兩種簡單的技術：電阻模式和電壓模式。

電阻模式

在電阻模式線性化中，普通電阻與NTC熱敏電阻并聯放置，具有線性化組合電路電阻的作用。如果選擇電阻值等于室溫下熱敏電阻的電阻（R25乙），則相對線性電阻的區域將在室溫周圍對稱（如圖4所示）。

圖4.通過將一個普通電阻與熱敏電阻并聯，可以輕松實現電阻模式線性化。如果普通電阻的值與R相同25乙，則電阻與溫度的近線性區域將在+25°C左右對稱。 （R25乙= 10kΩ，β K）。

請注意，較低的β值在較寬的溫度范圍內產生線性結果，而較高的β值在較窄的溫度范圍內產生更高的靈敏度。等效電阻大約為 R 的 90%25乙在寒冷 （-20°C） 至 R 的 50%25乙在室溫下（+25°C）至大約R的15%25乙在高溫（+70°C）下。

電壓模式

在電壓模式線性化中，NTC熱敏電阻與普通電阻串聯，形成分壓器電路。分壓器電路采用穩壓電源或基準電壓源 V 進行偏置裁判.這會產生隨溫度呈線性的輸出電壓的效果。如果選擇電阻值等于室溫下熱敏電阻的電阻（R25乙），則線性電壓區域將在室溫周圍對稱（如圖5所示）。

圖5.電壓模式線性化很容易實現，只需將一個普通電阻與熱敏電阻串聯，然后用一個恒壓源偏置所得的電阻分壓器。如果普通電阻的值與R相同25乙，那么輸出電壓與溫度的關系接近線性的區域將在+25°C左右對稱。 （R25乙= 10kΩ，β K）。

同樣，請注意，較低的β值在較寬的溫度范圍內產生線性結果，而較高的β值在較窄的溫度范圍內產生更高的靈敏度。輸出電壓從冷 （-20°C） 時的接近 0 伏到房間 （+25°C） 的 VREF/2，再到高溫 （+70°C） 時的接近 VREF。

設計程序

為了產生隨溫度線性變化的穩壓輸出電壓，將線性化的熱敏電阻電路施加到穩壓器的反饋網絡上。

電阻模式

電阻模式電路是產生溫度相關穩壓輸出電壓的最簡單解決方案，因為穩壓器反饋網絡幾乎總是由電阻分壓器組成。如圖6所示，線性化熱敏電阻電路與其中一個反饋電阻串聯放置。在這種情況下，線性化電路與反饋分壓器網絡的頂部電阻串聯，以在V處產生負溫度系數輸出電壓外，這是LCD偏置解決方案中通常需要的。（為了產生正溫度系數輸出，線性化電路將與反饋分壓器的底部電阻R2串聯。

圖6.電阻模式線性化熱敏電阻電路施加到穩壓器的反饋網絡。它基本上取代了普通反饋電阻的一部分 - 該部分取決于穩壓器輸出所需的溫度系數。

設計過程相對簡單。首先從穩壓器的數據手冊中找到合適的反饋網絡偏置電流i2。它通常在μA的10s到100s范圍內，其確切值有一些緯度。然后將NTC熱敏電阻值計算為：

其中TC是VOUT的負溫度系數，單位為%/°C。 應調整i2的值，直到R25C成為現成的NTC熱敏電阻值。

為了簡化設計計算，請選擇 R2 和 R1 作為：

其中 VFB是穩壓器數據手冊中給出的標稱反饋電壓。

為了更精確的設計計算，i2的最終值最終將略有修改，以使熱敏電阻的β與所需的T相匹配C.因此，計算熱敏電阻在0°C和+50°C時的電阻。 NTC熱敏電阻電阻隨溫度變化的標準公式如下：

然后將兩個溫度下的線性化電阻計算為：

將 R2 和 i2 的值計算為：

最后計算 R1 的值為：

電阻模式設計示例

使用單節Li+可充電電池運行的系統需要LCD偏置電壓。所需的偏置電壓為 V外室溫下 = 20V，TC= -0.05%/°C。 為此選擇MAX1605穩壓器。上述設計公式用于計算所需組件，如下所示：

根據數據表，i2應大于10uA，輸出誤差小于1%;因此，選擇 I2 大約大五倍以減少誤差：

NTC熱敏電阻選擇與R25乙= 20kΩ 和 β = 3965K，并使用一個并聯的 20kΩ 電阻進行線性化。MAX1605的標稱反饋電壓為VFB= 1.25V。根據簡化的設計公式，R2和R1的計算公式為：

根據更精確的設計計算，熱敏電阻在0°C和+50°C時的電阻將為：

0°C和+50°C時的線性化電阻為：

然后，R2、i2 和 R1 的值計算如下：

在這種情況下，這些更準確的值與使用簡化計算獲得的值沒有本質區別。最終電路如圖7所示。

圖7.NTC熱敏電阻與MAX1605升壓轉換器配合使用，實現文中描述的電阻模式設計示例。

如圖7所示電路的輸出電壓表現出近乎理想的溫度依賴性，如圖8所示。

圖8.圖7所示電路的實際溫度依賴性在大多數擴展消費溫度范圍內非常接近目標溫度系數-0.05%/°C。

電壓模式

雖然比電阻模式電路復雜，但電壓模式電路具有一些獨特的優點。首先，電壓模式電路提供與溫度相關的模擬電壓，可通過模數轉換器（ADC）輕松數字化，以向系統的微處理器提供溫度信息。此外，穩壓器的輸出電壓溫度系數只需改變一個電阻的值即可輕松調節。這種優勢允許在實驗室中進行簡單的試錯設計，對于在生產中容納多源熱敏電阻或LCD面板也非常有價值。

如圖9所示，線性化熱敏電阻電路通過基準電壓偏置，以產生與溫度相關的電壓VTEMP。然后，VTEMP通過電阻R3匯總到反饋節點中，R3設置溫度依賴性的增益。為了使VTEMP不需要緩沖，熱敏電阻的標稱電阻應保持在遠低于R3的水平。如圖9所示，該穩壓器在VOUT處表現出負溫度系數輸出電壓，這是LCD偏置解決方案中通常要求的。（要創建正溫度系數輸出，R和Rt的位置應顛倒。

圖9.電壓模式線性化熱敏電阻電路施加到穩壓器的反饋網絡。它實質上是將當前的 i3 添加到反饋節點中，使得 i1 = i2 + i3。如果 V裁判是兩倍 VFB，則 i3 在 25C 時為零，R1 和 R2 按照穩壓器數據手冊中的正常描述進行計算，并且只需縮放 R3 即可調整溫度依賴性。此外，V臨時主機系統可通過模數轉換器采集。

雖然不是強制性的，但圖 9 最簡單的實現是當 VREF = 2xVfb 時。（方便的是，許多穩壓器的VFB = 1.25V，許多基準電壓源的VREF = 2.5V，許多ADC的輸入電壓范圍為0至2.5V。當 VREF = 2xVfb 時，VTEMP 在 +25°C 時等于 VFB，i3 等于零。這允許R1和R2將標稱輸出電壓設置為+25°C，與R3和熱敏電阻無關。根據穩壓器數據手冊中的建議選擇R2。然后將 R1 和 i2 計算為：

然后將 R3 的近似值計算為：

其中 TC是V的負溫度系數外以%/°C為單位。 （R3的這個值足以簡化設計計算，以后可以通過實驗室實驗進行調整。然后，為了避免在V之間需要一個緩沖放大器。臨時和R3，選擇標稱熱敏電阻值為：

為了更準確地計算，R3的最終值最終將略有修改，以使熱敏電阻的β與所需的T相匹配C.為此，首先計算熱敏電阻在0°C和+50°C時的電阻。 NTC熱敏電阻電阻隨溫度變化的標準公式如下：

然后計算兩個溫度下的線性電壓VTEMP：

R3 更準確的值最終給出為：

電壓模式設計示例

使用Li+電池運行的系統需要LCD偏置電壓。室溫下所需的偏置電壓為 VOUT = 20V，TC = -0.05%/°C。 選擇MAX629穩壓器是因為它具有基準電壓輸出，可用于偏置熱敏電阻線性化網絡。電壓模式設計公式用于計算所需組件，如下所示：

根據數據手冊，R2應在10kΩ至200kΩ和V范圍內FB= 1.25V;因此：

R3 的近似值為：

熱敏電阻的標稱電阻應保持在46.9kΩ以下。因此，選擇R25C = 20kΩ和β = 3965K的NTC熱敏電阻，并使用串聯20kΩ電阻和VREF = 2.5V偏置進行線性化。

根據更精確的設計計算，熱敏電阻在0°C和+50°C時的電阻將為：

0°C和+50°C時的線性化電壓為：

然后計算 R3 的新值為：

在這種情況下，更精確的R3值與使用簡化計算獲得的值沒有實質性差異，應選擇最接近的標準電阻值。

VREF ≠ 2xVfb 時的設計示例

在上面的電壓模式設計示例中，如果系統中還沒有VREF = 2.5V電源，則添加一個電源可能成本過高。幸運的是，任何調節電壓就足夠了。本例采用MAX629的REF引腳，VREF' = 1.25V。與上面的例子相比，VTEMP現在的變化范圍將超過一半;因此，R3必須減半至R3' = 475kΩ，以保持TC = -0.05%/°C的相同輸出電壓溫度系數。 此外，建議將熱敏電阻值和線性化電阻值減小至R = R25C = 10kΩ。此外，由于VTEMP在25°C時低于VFB，i3將不為零，穩壓器的輸出電壓將略高于預期：

要消除這種情況，請將R1從375kΩ降低到：

最終電路如圖10所示。

圖 10.NTC熱敏電阻與MAX629升壓轉換器配合使用，實現文中描述的VREF ≠2xVfb電壓模式設計示例。選擇MAX629是因為其REF引腳可用于偏置熱敏電阻線性化電路。

圖10所示電路的輸出電壓表現出近乎理想的溫度依賴性，如圖11所示。

圖 11.圖10所示電路的實際溫度依賴性在大多數擴展消費溫度范圍內非常接近目標溫度系數-0.05%/°C。

審核編輯：郭婷