當(dāng)您開始選擇溫度傳感器時(shí)，您不再局限于模擬輸出或數(shù)字輸出設(shè)備?，F(xiàn)在有多種傳感器類型可供選擇，其中一種應(yīng)該符合您的系統(tǒng)需求。本應(yīng)用筆記探討了各種可用的溫度傳感器IC，以幫助設(shè)計(jì)人員為特定設(shè)計(jì)做出最佳選擇。

當(dāng)您開始選擇溫度傳感器時(shí)，您不再局限于模擬輸出或數(shù)字輸出設(shè)備。現(xiàn)在有多種傳感器類型可供選擇，其中一種應(yīng)該符合您的系統(tǒng)需求。

當(dāng)被問(wèn)及我靠什么謀生時(shí)，我告訴人們我是一名模擬電子工程師。當(dāng)下一個(gè)問(wèn)題，“'模擬'是什么意思？我經(jīng)常使用溫度傳感器來(lái)解釋這個(gè)概念。我告訴他們，我們工程師有時(shí)會(huì)使用傳感器，以電壓或電流的形式模擬溫度。為了進(jìn)一步定義模擬世界，我將其與數(shù)字領(lǐng)域進(jìn)行了對(duì)比，說(shuō)電壓或電流信號(hào)通常轉(zhuǎn)換為1和0，以便計(jì)算機(jī)可以使用這些信息。有時(shí)這種解釋就足夠了;有時(shí)不會(huì)。

這種解釋所做的是建議溫度傳感器的基本遷移。直到最近，市場(chǎng)上的所有溫度傳感器都提供模擬輸出。熱敏電阻、RTD和熱電偶之后是另一種模擬輸出器件，即硅溫度傳感器。遺憾的是，在大多數(shù)應(yīng)用中，這些模擬輸出器件的輸出端需要比較器、ADC或放大器才能發(fā)揮作用。

因此，當(dāng)更高集成度變得可行時(shí)，可以使用帶有數(shù)字接口的溫度傳感器。這些IC以多種形式出售，從在超過(guò)特定溫度時(shí)發(fā)出信號(hào)的簡(jiǎn)單設(shè)備到報(bào)告遠(yuǎn)程和本地溫度，同時(shí)在編程溫度設(shè)置下提供警告的設(shè)備?，F(xiàn)在的選擇不僅僅是在模擬輸出和數(shù)字輸出傳感器之間;有多種傳感器類型可供選擇。

溫度傳感器的類別

四種溫度傳感器類型如圖1所示。理想的模擬傳感器提供的輸出電壓是溫度 （A） 的完美線性函數(shù)。在傳感器（B）的數(shù)字I/O類中，溫度數(shù)據(jù)以多個(gè)1和0的形式傳遞到微控制器，通常通過(guò)串行總線。沿著同一總線，數(shù)據(jù)從微控制器發(fā)送到溫度傳感器，通常用于設(shè)置報(bào)警引腳數(shù)字輸出跳閘的溫度限值。警報(bào)在超過(guò)溫度限制時(shí)中斷微控制器。這種類型的設(shè)備還可以提供風(fēng)扇控制。

圖1.傳感器和IC制造商目前提供四類溫度傳感器。

“模擬加”傳感器 （C） 提供各種類型的數(shù)字輸出。五世外與溫度曲線適用于數(shù)字輸出在超過(guò)特定溫度時(shí)切換的IC。在這種情況下，添加到模擬溫度傳感器的“加號(hào)”只不過(guò)是一個(gè)比較器和一個(gè)基準(zhǔn)電壓源。其他類型的“加號(hào)”部件以部件選通后的延遲時(shí)間的形式運(yùn)送溫度數(shù)據(jù)，或者以頻率或方波周期的形式發(fā)送溫度數(shù)據(jù)，這將在后面討論。

系統(tǒng)監(jiān)視器（D）是四個(gè)IC中最復(fù)雜的IC。除了數(shù)字I/O類型提供的功能外，這種類型的設(shè)備通常監(jiān)控系統(tǒng)電源電壓，當(dāng)電壓上升或低于通過(guò)I/O總線設(shè)置的限值時(shí)提供警報(bào)。這種類型的IC有時(shí)包括風(fēng)扇監(jiān)控和/或控制。在某些情況下，此類設(shè)備用于確定風(fēng)扇是否正常工作。更復(fù)雜的版本將風(fēng)扇控制為一個(gè)或多個(gè)測(cè)量溫度的函數(shù)。這里不討論系統(tǒng)監(jiān)視器傳感器，但簡(jiǎn)要提及，以全面了解可用的溫度傳感器類型。

模擬輸出溫度傳感器

熱敏電阻和硅溫度傳感器是廣泛使用的模擬輸出溫度傳感器形式。圖2清楚地表明，當(dāng)需要電壓和溫度之間的線性關(guān)系時(shí)，硅溫度傳感器是比熱敏電阻更好的選擇。然而，在較窄的溫度范圍內(nèi)，熱敏電阻可以提供合理的線性度和良好的靈敏度。許多最初用熱敏電阻構(gòu)建的電路隨著時(shí)間的推移而使用硅溫度傳感器進(jìn)行了更新。

圖2.熱敏電阻和硅溫度傳感器（兩種流行的模擬輸出溫度檢測(cè)器）的線性度形成鮮明對(duì)比。

硅溫度傳感器具有不同的輸出刻度和偏移量。例如，有些輸出傳遞函數(shù)與K成比例，有些則與°C或°F成正比。 一些°C器件提供失調(diào)，因此可以使用單端電源監(jiān)測(cè)負(fù)溫度。

在大多數(shù)應(yīng)用中，這些器件的輸出被饋入比較器或A/D轉(zhuǎn)換器，以將溫度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字格式。盡管需要這些額外的設(shè)備，但由于在許多情況下使用成本低且使用方便，熱敏電阻和硅溫度傳感器繼續(xù)受到歡迎。

數(shù)字 I/O 溫度傳感器

大約五年前，推出了一種新型溫度傳感器。這些器件包括一個(gè)數(shù)字接口，允許與微控制器通信。該接口通常是I2C或SMBus串行總線，但其他串行接口（如SPI）也很常見。除了向微控制器報(bào)告溫度讀數(shù)外，該接口還接收來(lái)自微控制器的指令。這些指令通常是溫度限制，如果超過(guò)溫度限制，則會(huì)激活溫度傳感器 IC 上的數(shù)字信號(hào)，從而中斷微控制器。然后，微控制器能夠調(diào)整風(fēng)扇速度或降低微處理器的速度，例如，保持溫度受控。

這種類型的設(shè)備具有多種功能，其中包括遠(yuǎn)程溫度傳感。為了實(shí)現(xiàn)遙感，大多數(shù)高性能CPU都包含一個(gè)片上晶體管，可提供溫度的電壓模擬。（僅使用晶體管的兩個(gè)p-n結(jié)中的一個(gè)。圖 3 顯示了使用此技術(shù)監(jiān)視的遠(yuǎn)程 CPU。其他應(yīng)用利用分立晶體管來(lái)執(zhí)行相同的功能。

圖3.用戶可編程溫度傳感器監(jiān)控遠(yuǎn)程CPU片上p-n結(jié)的溫度。

其中一些類型的傳感器（包括圖3所示的傳感器）的另一個(gè)重要特性是，當(dāng)測(cè)量溫度超出上限和下限范圍時(shí)，能夠中斷微控制器。在其他傳感器上，當(dāng)測(cè)量的溫度超過(guò)高或低溫度閾值（即，不是兩者）時(shí)，會(huì)產(chǎn)生中斷。對(duì)于圖3中的傳感器，這些限值通過(guò)SMBus接口傳輸?shù)綔囟葌鞲衅?。如果溫度高于或低于限定范圍，警?bào)信號(hào)會(huì)中斷處理器。

圖4所示是一個(gè)類似的器件。然而，它不是監(jiān)測(cè)一個(gè)p-n結(jié)，而是監(jiān)測(cè)四個(gè)結(jié)點(diǎn)和它自己的內(nèi)部溫度。由于Maxim的MAX1668功耗很小，其內(nèi)部溫度接近環(huán)境溫度。測(cè)量環(huán)境溫度可指示系統(tǒng)風(fēng)扇是否正常運(yùn)行。

圖4.用戶可編程溫度傳感器監(jiān)測(cè)其自身的本地溫度和四個(gè)遠(yuǎn)程p-n結(jié)的溫度。

在監(jiān)控遠(yuǎn)程溫度的同時(shí)控制風(fēng)扇是圖5所示IC的主要功能。該部件的用戶可以在兩種不同的風(fēng)扇控制模式之間進(jìn)行選擇。在PWM模式下，微控制器通過(guò)改變發(fā)送到風(fēng)扇的信號(hào)的占空比來(lái)控制風(fēng)扇速度作為測(cè)量溫度的函數(shù)。這使得功耗遠(yuǎn)低于該器件還提供的線性控制模式。由于一些風(fēng)扇以控制它的PWM信號(hào)的頻率發(fā)出可聽見的聲音，因此線性模式可能是有利的，但代價(jià)是更高的功耗和額外的電路。但是，增加的功耗只是整個(gè)系統(tǒng)功耗的一小部分。

圖5.風(fēng)扇控制器/溫度傳感器 IC 采用 PWM 或線性模式控制方案。

該IC提供警報(bào)信號(hào)，當(dāng)溫度超過(guò)規(guī)定限值時(shí)中斷微控制器。還提供了信號(hào)形式的安全功能，稱為“顯性”（“過(guò)溫”的縮寫版本）。如果微控制器或軟件在溫度上升到危險(xiǎn)水平時(shí)鎖定，警報(bào)信號(hào)將不再有用。然而，一旦溫度上升到通過(guò)SMBus設(shè)定的水平以上，顯性就會(huì)激活，通常用于控制電路，而無(wú)需借助微控制器。因此，在微控制器無(wú)法正常工作的高溫情況下，可以使用 overt 直接關(guān)閉系統(tǒng)電源，而無(wú)需微控制器，并防止?jié)撛诘臑?zāi)難性故障。

這種數(shù)字 I/O 類設(shè)備廣泛用于服務(wù)器、電池組和硬盤驅(qū)動(dòng)器。在許多位置監(jiān)控溫度以提高服務(wù)器的可靠性：主板（本質(zhì)上是機(jī)箱內(nèi)部的環(huán)境溫度）、CPU 芯片內(nèi)部以及其他發(fā)熱組件，如圖形加速器和硬盤驅(qū)動(dòng)器。出于安全原因，電池組集成了溫度傳感器，并優(yōu)化了充電曲線，從而最大限度地延長(zhǎng)了電池壽命。

監(jiān)控硬盤驅(qū)動(dòng)器的溫度有兩個(gè)很好的理由，這主要取決于主軸電機(jī)的速度和環(huán)境溫度：驅(qū)動(dòng)器中的讀取錯(cuò)誤在極端溫度下增加，并且通過(guò)溫度控制顯著改善硬盤的MTBF。通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)的溫度，您可以控制電機(jī)速度以優(yōu)化可靠性和性能。驅(qū)動(dòng)器也可以關(guān)閉。在高端系統(tǒng)中，可以為系統(tǒng)管理員生成警報(bào)，以指示極端溫度或可能丟失數(shù)據(jù)的情況。

模擬加溫度傳感器

“模擬加”傳感器通常適用于更簡(jiǎn)單的測(cè)量應(yīng)用。這些IC產(chǎn)生源自測(cè)量溫度的邏輯輸出，與數(shù)字I/O傳感器的區(qū)別主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)趩涡猩陷敵鰯?shù)據(jù)，而不是串行總線。

在最簡(jiǎn)單的模擬加傳感器實(shí)例中，當(dāng)超過(guò)特定溫度時(shí)，邏輯輸出跳閘。其中一些器件在溫度上升到預(yù)設(shè)閾值以上時(shí)跳閘，而另一些器件則在溫度降至閾值以下時(shí)跳閘。其中一些傳感器允許使用電阻器調(diào)節(jié)溫度閾值，而其他傳感器則具有固定閾值。

圖6所示器件具有特定的內(nèi)部溫度閾值。這三個(gè)電路說(shuō)明了此類設(shè)備的常見用途：提供警告、關(guān)閉設(shè)備或打開風(fēng)扇。

圖6.當(dāng)溫度超過(guò)時(shí)發(fā)出信號(hào)的IC非常適合過(guò)溫/欠溫報(bào)警和簡(jiǎn)單的開/關(guān)風(fēng)扇控制。

當(dāng)需要實(shí)際溫度讀數(shù)并且可以使用微控制器時(shí)，在單條線路上傳輸讀數(shù)的傳感器可能很有用。借助微控制器的內(nèi)部計(jì)數(shù)器測(cè)量時(shí)間，來(lái)自此類溫度傳感器的信號(hào)很容易轉(zhuǎn)換為溫度測(cè)量值。圖7中的傳感器輸出方波，其頻率與環(huán)境溫度成正比，單位為開爾文。圖8中的器件類似，但方波的周期與環(huán)境溫度成正比，單位為開爾文。

圖7.傳輸方波的溫度傳感器，其頻率與以開爾文為單位的測(cè)量溫度成正比，是加熱器控制器電路的一部分。

圖8.該溫度傳感器傳輸一個(gè)方波，其周期與測(cè)量的溫度成正比，單位為開爾文。由于只需一條線路即可發(fā)送溫度信息，因此只需一個(gè)光隔離器即可隔離信號(hào)路徑。

圖9是一種真正新穎的方法，允許在此公共線路上連接多達(dá)<>個(gè)溫度傳感器。當(dāng)微控制器的I/O端口同時(shí)使線路上的所有傳感器頻閃時(shí)，從這些傳感器中提取溫度數(shù)據(jù)的過(guò)程就開始了。然后，微控制器被快速重新配置為輸入，以便從每個(gè)傳感器接收數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被編碼為傳感器被選通后發(fā)生的時(shí)間量。每個(gè)傳感器在特定時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)頻閃脈沖之后的這段時(shí)間進(jìn)行編碼。通過(guò)為每個(gè)傳感器分配自己的允許時(shí)間范圍來(lái)避免碰撞。

圖9.微控制器最多可以選通連接在一條公共線路上的八個(gè)溫度傳感器，并接收從同一線路上的每個(gè)傳感器傳輸?shù)臏囟葦?shù)據(jù)。

這種方法實(shí)現(xiàn)的精度高得驚人：室溫下的典型精度為0.8°C，與以發(fā)射方波頻率形式編碼溫度數(shù)據(jù)的IC精確匹配。使用方波周期的設(shè)備也是如此。

這些器件在電線受限的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。例如，當(dāng)溫度傳感器必須與微控制器隔離時(shí)，成本保持在最低水平，因?yàn)橹恍枰粋€(gè)光隔離器。這些傳感器在汽車和HVAC應(yīng)用中也非常有用，因?yàn)樗鼈儨p少了長(zhǎng)距離運(yùn)行的銅量。

溫度傳感器的預(yù)期發(fā)展

IC溫度傳感器提供各種功能和接口。隨著這些器件的不斷發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員將看到更多特定于應(yīng)用的功能以及將傳感器連接到系統(tǒng)的新方法。最后，芯片設(shè)計(jì)人員在同一芯片區(qū)域中集成更多電子設(shè)備的能力確保了溫度傳感器將很快包括新功能和特殊接口。

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