理想的应用于工业器具的远程温度传感器

2015-05-27 14:00:11来源: EEworld
远程温度传感器具有其它IC温度传感器所具有的全部优点,其中包括线性响应、无需校准以及低功耗,因此非常适用于工业应用。

要理解远程温度传感器的概念以及与本地温度传感器的不同,首先要先来回顾一下温度传感器集成电路 (IC) 的一些基础知识。硅温度传感器集成电路利用的是硅PN结随温度变化而变化的基本运行方式。

因此,如果使电流流经在不同区域的两个PN结,它们就会产生出两个不同的正向电压值。在电流恒定时,电压会随着PN温度结点上的温度变化而变化。这两个电压之间的差与绝对温度成比例:


了解了所有温度传感器 IC的基本工作原理之后,第二个问题是有关远程温度传感器和本地温度传感器之间的差异。本地温度传感器的PN结通常被热连接至封装的接地引脚。根据热平衡原理,PN结上的温度大体上与接地引脚已连接的印刷电路板 (PCB) 感受到的温度是一样的。

远程温度传感器感测本地温度时与本地温度传感器一样。此外,它们还感测系统中的一个或多个远程二极管或晶体管。在很多情况下,这些远程元器件位于其他的IC中,诸如处理器,专门用途集成电路 (ASIC),或者现场可编程门阵列 (FPGA)。这里的“远程二极管”实际上是一个PNP晶体管,此晶体管的集极和器件的基板相连接。

PNP是大多数CMOS处理的固有器件,因此可在任何容易出现过热情况的复杂而高耗电量的电路中轻松应用。或者在那些必须监视多个点温度的系统中,为了实现高效益,可在每个“远程”位置采用一个标准晶体管(诸如2N3904或2N3906)。

此外,远程温度传感器集成了一个模数转换器 (ADC),此 ADC 在输入上具有一个模拟复用器,以便在不同温度源之间切换。这样可通过一个标准串口,诸如I2C或串行外设接口 (SPI),实现与控制器的直接对接,并且可将过热警报等热管理中的某些功能转交温度传感器进行处理。

远程结温晶体管

远程温度传感器在调整后可以与特定类型的晶体管连接一同工作。由于这些远程晶体管/二极管在几何图形处理以及其它变量处理方面的特点不同,远程温度传感器在计算远程温度时应该包含某些方法来应对这些差异。如果采用了不同的连接类型,那么必须使用“非理想”因子对不同的晶体管类型进行补偿:


其中:

TCF = 温度修正因子

TCR = 所需温度范围的中心

ηTS = 远程温度传感器非理想技术规格

ηProcess = 针对远程晶体管/二极管的非理想技术规格

很多新型的温度传感器,诸如德州仪器 (TI) 生产的TMP451,具有针对非理想因子的多重选项,这样它就可以与不同的离散型晶体管或处理节点专用集成电路 (ASIC) 集成温度二极管一同使用。

远程温度传感器所包含的另外一个普通信号调整功能是串联电阻抵消。应用中的串联电阻通常是由PCB走线电阻造成的。这个远程线路长度可以由远程温度传感器自动抵消,从而防止可能产生的温度偏移。典型器件可以抵消总计高达1kΩ的串行线路电阻。这样就无需额外特性化和温度偏移校正了。 

一旦处理器、ASIC 和 FPGA的处理几何图形达到90nm或更小时,远程感测二极管/晶体管的特性会随之变化。早期远程温度传感器的工作方式是控制射极的电流。在处理较小的几何图形时,这些晶体管的物理属性的变化程度,使VBE 变成集极与射极电流之间的函数。如果晶体管的BETA特性与集极电流无关的话,那么对射极电流的控制可以提供足够的准确度。

然而,这些新型的、更小几何尺寸晶体管表现出了与集极电流相关的BETA特性。像很多更新型的远程温度传感器,诸如TI生产的TMP435,就通过控制集极电流而非射极电流来实现一个自动BETA补偿功能。TMP435能根据外部晶体管的BETA因子来自动检测并选择正确的范围。

选择远程温度结还是热敏电阻?

热敏电阻是最常用的温度测量器件。从本质上讲,热敏电阻是一个阻性元件,其电阻值随着器件上的温度成比例变化。由于热敏电阻是一种相对较小的组件,它可以在距离物体非常近的位置上监视物体温度。

在某些应用中,这一点会成为本地温度传感器的一个限制因素。而用远程晶体管来替代热敏电阻,就可以实现与热敏电阻十分相似的封装尺寸。然而,这还带来了许多温度传感器IC的优势,包括总体功耗的降低、抗噪数据传输的减少,以及简化的实现方式和信号处理。
 

上图中显示的是温度传感器的线性响应与热敏电阻的非线性响应之间的对比图。

硅温度传感器的响应性能优于热敏电阻,从而实现了这种简化成(请见图表)。无需额外的处理来计算实际温度。

总结

很多工业应用需要在系统内的多个位置监视温度。不论是为了确保系统可靠性,还是实现部分系统的闭环控制,对温度的准确监视能实现系统性能的最优化。

远程温度传感器具有其它IC温度传感器的全部优点,其中包括线性响应、无需校准,以及低功耗。它们可以监视多个位置的温度,而又无需多个信号处理路径。根据所选远程二极管或晶体管,传感器可以用于不同的装配配置,而安装在电路板上的本地温度传感器IC在这一点上就相形见绌了。
 

关键字:温度传感器

编辑:刘燚 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2015/0527/article_10200.html
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