集成型溫度傳感器解決散熱難題

隨著電子系統(tǒng)越來(lái)越朝著多功能、更高性能和更小封裝的趨勢(shì)發(fā)展，系統(tǒng)散熱問(wèn)題日漸成為設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中必須考慮的因素。系統(tǒng)過(guò)熱會(huì)降低性能，損壞元件或產(chǎn)生安全隱患。為跟蹤并降低系統(tǒng)散熱而引發(fā)的問(wèn)題，通常需要監(jiān)控兩個(gè)參數(shù)：持續(xù)溫度測(cè)量和過(guò)熱警報(bào)。

持續(xù)溫度測(cè)量使處理器可以監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)溫度的上升或下降，并根據(jù)測(cè)得的溫度采取彌補(bǔ)措施。例如，由于功率放大器(PA)會(huì)受到系統(tǒng)升溫的影響，因此它可以顯示增益的升高。增益升高導(dǎo)致功率放大器使用更大的功率，產(chǎn)生更多熱量，繼而使用更高的電能，這被稱為熱逸散。例如，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，過(guò)大的增益會(huì)導(dǎo)致電池比預(yù)期耗電更快。通過(guò)監(jiān)控溫度，處理器可以調(diào)節(jié)放大器的增益，從而確保功率的耗散與設(shè)計(jì)者預(yù)期相符。

在系統(tǒng)運(yùn)行溫度超出設(shè)置的限制時(shí)，處理器會(huì)接收到二進(jìn)制過(guò)熱警報(bào)信號(hào)。一個(gè)應(yīng)用范例是當(dāng)系統(tǒng)中溫度即將超出元件的最大運(yùn)行溫度時(shí)。此時(shí)，處理器可以中止向元件供電，避免系統(tǒng)由于過(guò)熱而受到損壞。

分立熱敏電阻電路

用于進(jìn)行持續(xù)溫度測(cè)量和過(guò)熱警報(bào)指示的傳統(tǒng)分離元件電路在傳感器元件中使用熱敏電阻器(熱敏電阻)，通常采用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻。隨著溫度的升高，NTC熱敏電阻的電阻值降低(圖1)。

圖 1：采用傳統(tǒng)熱敏電阻的電路。處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于采集溫度模擬電壓(VTEMP)。當(dāng)溫度超出臨界值時(shí)，數(shù)字比較器的輸出端會(huì)驅(qū)動(dòng)處理器的輸入端進(jìn)行提示。

電壓分頻器直接衍生模擬溫度信號(hào)，作為熱敏電阻溫度模擬信號(hào)的電壓電平。RBIAS電阻器能夠設(shè)置電路增益，并使熱敏電阻保持在允許的功率內(nèi)工作，從而最大限度地減小溫度導(dǎo)致的電阻誤差。過(guò)熱警報(bào)通過(guò)將熱敏電阻的輸出端與比較器的輸入端相連接而產(chǎn)生。參考電壓與比較器的另一輸入端相連，以設(shè)置比較器輸出端被激活的電壓值(過(guò)熱電平)。通過(guò)采用磁滯反饋回路用于避免比較器在VTEMP等于VREF時(shí)來(lái)回快速開關(guān)。

但是分立熱敏電阻解決方案會(huì)存在許多設(shè)計(jì)問(wèn)題。而LM57集成模擬溫度傳感器和溫度開關(guān)能夠解決這些設(shè)計(jì)問(wèn)題，并提高系統(tǒng)的性能。

集成的LM57電路

LM57不僅集成了分立熱敏電阻電路的功能，還改進(jìn)了其性能。如圖2所示，我們可以看到元件數(shù)量變少了，但功能卻增加了。例如低態(tài)跳脫點(diǎn)輸出和輸入針腳使系統(tǒng)可以在原位置測(cè)試LM57的功能。

圖2：LM57集成電路應(yīng)用。處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于采集溫度模擬電壓(VTEMP)。當(dāng)溫度超出臨界值時(shí)，過(guò)熱(TOVER)輸出端會(huì)驅(qū)動(dòng)處理器的輸入端進(jìn)行指示。跳脫點(diǎn)由兩個(gè)無(wú)源電阻器(RSENSE1和RSENSE2)設(shè)置，而不是由有效參考端和偏壓電阻器設(shè)置。

精確度

任何溫度傳感器電路中最重要的測(cè)量參數(shù)之一是總體電路的精確度(或誤差)。在設(shè)計(jì)分立電路解決方案時(shí)，各元件的誤差會(huì)累加得出測(cè)量值的最大總誤差。例如，分立熱敏電阻電路(圖1)中的VTEMP模擬溫度輸出端將同時(shí)受到熱敏電阻和電阻器RBIAS的精確度影響。TOVER數(shù)字警報(bào)的精確度不僅受到VTEMP的精確度影響，還受到比較器、反饋電阻器和磁滯電阻器的固有誤差影響。例如，如果使用此電路控制大型HVAC系統(tǒng)，這些誤差可能引起大型系統(tǒng)在不需要工作時(shí)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)多的功率。