集成型温度传感器解决散热难题

随着电子系统越来越朝着多功能、更高性能和更小封装的趋势发展，系统散热问题日渐成为设计环节中必须考虑的因素。系统过热会降低性能，损坏元件或产生安全隐患。为跟踪并降低系统散热而引发的问题，通常需要监控两个参数：持续温度测量和过热警报。

　　持续温度测量使处理器可以监测到系统温度的上升或下降，并根据测得的温度采取弥补措施。例如，由于功率放大器(PA)会受到系统升温的影响，因此它可以显示增益的升高。增益升高导致功率放大器使用更大的功率，产生更多热量，继而使用更高的电能，这被称为热逸散。例如，在无线传感器网络应用中，过大的增益会导致电池比预期耗电更快。通过监控温度，处理器可以调节放大器的增益，从而确保功率的耗散与设计者预期相符。

　　在系统运行温度超出设置的限制时，处理器会接收到二进制过热警报信号。一个应用范例是当系统中温度即将超出元件的最大运行温度时。此时，处理器可以中止向元件供电，避免系统由于过热而受到损坏。

　　分立热敏电阻电路

　　用于进行持续温度测量和过热警报指示的传统分离元件电路在传感器元件中使用热敏电阻器(热敏电阻)，通常采用负温度系数(NTC)热敏电阻。随着温度的升高，NTC热敏电阻的电阻值降低(图1)。

　　图 1：采用传统热敏电阻的电路。处理器的模数转换器用于采集温度模拟电压(VTEMP)。当温度超出临界值时，数字比较器的输出端会驱动处理器的输入端进行提示。

　　电压分频器直接衍生模拟温度信号，作为热敏电阻温度模拟信号的电压电平。RBIAS电阻器能够设置电路增益，并使热敏电阻保持在允许的功率内工作，从而最大限度地减小温度导致的电阻误差。过热警报通过将热敏电阻的输出端与比较器的输入端相连接而产生。参考电压与比较器的另一输入端相连，以设置比较器输出端被激活的电压值(过热电平)。通过采用磁滞反馈回路用于避免比较器在VTEMP等于VREF时来回快速开关。

　　但是分立热敏电阻解决方案会存在许多设计问题。而LM57集成模拟温度传感器和温度开关能够解决这些设计问题，并提高系统的性能。

　　集成的LM57电路

　　LM57不仅集成了分立热敏电阻电路的功能，还改进了其性能。如图2所示，我们可以看到元件数量变少了，但功能却增加了。例如低态跳脱点输出和输入针脚使系统可以在原位置测试LM57的功能。

　　图2：LM57集成电路应用。处理器的模数转换器用于采集温度模拟电压(VTEMP)。当温度超出临界值时，过热(TOVER)输出端会驱动处理器的输入端进行指示。跳脱点由两个无源电阻器(RSENSE1和RSENSE2)设置，而不是由有效参考端和偏压电阻器设置。

　　精确度

　　任何温度传感器电路中最重要的测量参数之一是总体电路的精确度(或误差)。在设计分立电路解决方案时，各元件的误差会累加得出测量值的最大总误差。例如，分立热敏电阻电路(图1)中的VTEMP模拟温度输出端将同时受到热敏电阻和电阻器RBIAS的精确度影响。TOVER数字警报的精确度不仅受到VTEMP的精确度影响，还受到比较器、反馈电阻器和磁滞电阻器的固有误差影响。例如，如果使用此电路控制大型HVAC系统，这些误差可能引起大型系统在不需要工作时继续运转，从而导致系统产生过多的功率。

　　LM57完全集成(图3)，所有组成部分的输入输出都包含在LM57的校对流程中，因此不会产生以上所提到的误差源。同时，系统设计员不需要累加各组成元件的误差，从而得出总误差。LM57能保证VTEMP模拟输出的最大误差为±0.7℃，TOVER警报输出的最大误差为±1.5℃。

　　图3：LM57集成模拟温度传感器和温度开关的功能框图。

　　NTC电路的另一个误差源是VTRIP的误差。最大程度降低这一误差的一种途径是使用高精度参考端。但是，比较器的输入端会收集到来自参考端的噪声。比较器的跳脱点会随着噪声产生的信号电平的变化而不同。LM57采用一种专利技术从而解决了这个问题。用户可以通过选择两个电阻器RSENSE1和RSENSE2的值设置VTRIP的值。LM57使用数模转换器确定跳脱电压范围。只要感应线路中电压在指定范围内，跳脱温度就不会产生变化。这表示LM57感应输入不会受到输入端适量噪声的影响。这还意味着只要电阻器的容差在1%或更低，各电阻器的跳脱点就不会变化。

　　线性度和转换噪声

　　在传感器测量中获得最大的精确度需要注意量化噪声误差，这是由模拟信号向二进制数据转换产生的误差。模拟信号经过数字化，得出的是一个接近实际测得模拟值的数字值。数字测量的最小增量(LSB)是将模数转换器参考电压除以模数转换器的可数代码数得出的电压。例如，使用2.56V参考电压的8位模数转换器产生的LSB值为2.56V ÷ 28 = 10mV。测得的模拟值和数字值之间的任何差值将称为转换中的误差，这被称为转换噪声或转换误差。例如，如果尝试采集1.384V信号，此信号经数字化获得接近10mV的值，假设达到1.380V，则采样值具有4mV的转换噪声值。如需了解更详尽的转换噪声讨论，请参见National.com网站上的《浅谈模数转换器》(The ABCs of ADCs)一文。

　　那么，此噪声在温度误差中意味着什么？答案取决于传感器输出的增益。传感器的增益幅度越大，就越少受到噪声的影响——传感器增益越高，量化噪声产生的误差越小。如图4所示，可以看到在跳脱温度设为100℃时，LM57的VTEMP模拟输出与-10.4mV/℃典型增益值呈现很好的线性关系(实际上，LM57具有4种可能的增益，这取决于选择的跳脱点值，但是本例中我们选择100℃)。这表示每毫伏噪声对温度的影响为0.097℃/mV。同样在100℃的温度下，热敏电阻输出端的1mV噪声将产生1.7℃的误差(本模拟试验中使用NCP15XH103热敏电阻和6.2kΩ偏压电阻器)。

　　图4：LM57和NTC热敏电阻(Murata NCP15XH103F)的噪声灵敏度比较。

　　工作温度范围

　　较热敏电阻而言，LM57的另一个优点是具有更宽的可用工作温度范围。如图4所示，LM57可在-50℃至150℃的温度范围中工作。此热敏电阻的额定温度范围是-40℃至125℃，但其可用范围接近-20℃至100℃。由于在此范围内具有线性输出值，因此无需优化电路实现更窄、更高的温度范围；LM57在140℃下具有卓越的精确度和噪声容差。

　　设计时间和板空间

　　在如今更短的产品开发周期中，集成的LM57可以通过缩短设计时间从而提高价值。LM57只需要使用简易的设计优化方法即可集成在电路中，并与处理器相连。无需元件匹配、考虑序列误差等。

　　由于采取单一封装，体积小，从而节省了板空间和生产成本，并提高了质量。如果在分立解决方案中结合多个元件将占用更大板空间，因为各元件间需要保持最小间距。设计每增加一个新元件，在电路中放置该元件的成本就累加到产品成本中。每个附加元件都需要增加一个设备和两个或更多连线，因此在设计中需要考虑更多的问题。

　　本文小结

　　集成的LM57模拟温度传感器和温度开关不仅结合了传统温度传感器和比较器电路的优点，同时比分立解决方案具备更多的功能和更好的性能。如需改进系统性能并缩短设计时间，LM57是最佳选择。（美国国家半导体）