【導讀】在個人電子產品、工業或醫療應用的設計中，工程師必須應對同樣的挑戰，即如何提升性能、增加功能并縮小尺寸。除了這些考慮因素外，他們還必須仔細監測溫度以確保安全并保護系統和消費者免受傷害。
眾多行業的另一個共同趨勢是需要處理來自更多傳感器的更多數據，進一步說明了溫度測量的重要性：不僅要測量系統或環境條件，還要補償其他溫度敏感元件，從而確保傳感器和系統的精度。另外一個好處在于，有了精確的溫度監測，無需再對系統進行過度設計來補償不準確的溫度測量，從而可以提高系統性能并降低成本。
三大溫度設計挑戰
• 溫度監測： 溫度傳感器提供有價值的數據來持續跟蹤溫度條件，并為控制系統提供反饋。此監測可以是系統溫度監測或環境溫度監測。在一些應用中，我們可以看到設計挑戰的特點是需要在控制回路中同時實現這兩種監測。這些監測包括系統溫度監測、環境
溫度監測以及身體或流體溫度監測。
• 溫度保護： 在多種應用中，一旦系統超過或低于功能溫度閾值，便需要采取措施。溫度傳感器在檢測到事先定義的條件時提供輸出警報以防止系統損壞。在不影響系統可靠性的情況下提升處理器吞吐量是可行的。系統經常過早啟動安全熱關斷，結果造成高達5°C 甚至 10°C 的性能損失。當系統超過或低于功能溫度閾值時，工程師可以自主啟動實時保護措施。
• 溫度補償：溫度傳感器可以在正常工作期間隨溫度變化最大限度提高系統性能。監測和校正其他關鍵組件在發熱和冷卻時的溫漂可降低系統故障的風險。
溫度傳感基本原理
在嵌入式系統中，總是需要更高的性能、更多的功能和更小的外形尺寸。鑒于這種需求，設計人員必須監測整體溫度以確保安全并保護系統。在應用中集成更多傳感器進一步推動了對溫度測量的需求，不僅要測量系統條件或環境條件，還要補償溫度敏感元件并保持整體系統精度。
實現高效溫度監測和保護的注意事項包括：
• 精度: 傳感器精度表示溫度與真實值的接近程度。在確定精度時，必須考慮所有因素，包括采集電路以及整個工作溫度范圍內的線性度。
• 尺寸: 傳感器的尺寸會對設計產生影響，而分析整個電路有助于實現更優化的設計。傳感器尺寸還決定了熱響應時間，這對于體溫監測等應用非常重要。
• 傳感器放置: 傳感器的封裝和放置會影響響應時間和傳導路徑；這兩個因素都對高效溫度設計至關重要。工業中常見的溫度傳感器技術包括集成電路 (IC) 傳感器、熱敏電阻、RTD 和熱電偶。表 1 比較了在為設計挑戰評選適合的技術時參考的主要特性。
表 1. 比較溫度傳感技術
系統溫度監測
對于許多系統設計，有必要監測高功率組件（處理器、現場可編程門陣列、場效應晶體管）以確保系統和用戶安全。溫度讀數的精確性非常重要，因為它使設計人員能夠在提高性能的同時保持在安全限制內，或者通過避免在其他地方過度設計來降低系統成本。德州儀器 (TI) 的緊湊型高精度溫度傳感器產品系列可以更靠近這些關鍵組件放置，實現最精確的測量。
電路中的溫度問題會影響系統性能并損壞昂貴組件。通過測量印刷電路板 (PCB) 中存在熱點或高耗電集成電路(IC) 的區域的溫度，有助于識別熱問題，進而及時采取預防或糾正措施。
您可能希望監測高耗電 IC（例如中央處理單元、專用 IC、現場可編程門陣列或數字信號處理器）的管芯溫度以動態調整其性能，或者可能希望監測功率級周圍的熱區，以便控制系統中的風扇速度或啟動安全系統關閉程序。最終目標是優化性能并保護昂貴的設備。圖 1 顯示了高性能計算機主板上的溫度監測系統。
圖 1.復合型 PCB 板上的溫度監測
諸如中央處理單元 (CPU)、圖形處理單元 (GPU)、專用集成電路 (ASIC) 和現場可編程門陣列 (FPGA) 之類的高性能處理器中的電源管理通常很復雜。通過溫度監測，這些系統不僅可以啟動安全系統關閉程序，還可以利用溫度數據來動態調整性能。
監測過程溫度可以提高系統可靠性并最大限度提升性能。如圖 2 所示，高性能處理器通常使用散熱器吸收管芯中的過多熱量。較高的溫度可能會激活散熱風扇，修改系統時鐘，或者在處理器超過其溫度閾值時快速關閉系統。
圖 2.搭載高性能處理器的主板通常需要散熱器
環境溫度監測
在許多應用中，環境空氣溫度監測對于控制環境條件或確保安全操作條件至關重要。準確快速地測量環境溫度通常面臨挑戰，因為傳感器可能不會完全暴露于外部環境并可能受到系統中其他組件的自發熱影響。TI 的高精度、低功耗單通道和多通道溫度傳感器采用緊湊型封裝，可實現更快的熱響應。
使用表面貼裝器件來測量環境溫度可能具有挑戰性，因為來自其他高耗電電子元件的熱傳遞會影響傳感器的溫度讀數。要精確測量環境溫度，必須采用良好的布局方法，例如了解主要的導熱路徑、隔離傳感器封裝以及將器件放置在遠離干擾熱源的位置。圖 3 顯示了一種使用這些方法的簡單恒溫器設計。在圖 3 中，系統自發熱產生的被動氣流在溫度傳感器 A上方吸入外部空氣。傳感器放置在遠離主要熱源（中央處理單元）的進氣口處，并經過隔熱以確保更精確的測量。
圖 3.溫度傳感器恒溫器設計熱輻射和印刷電路板 (PCB) 布局
體溫監測
了解患者的體溫是任何臨床診斷的關鍵第一步，也是運動員的重要關注點。除了要求超高精度外，行業正朝著緊湊型可穿戴設備的方向發展，以提供持續的溫度監測。精度高達 0.1°C 的溫度傳感器不僅符合美國材料與試驗協會 (ASTM) E1112 對醫用溫度計的要求，而且還經過優化，可使電池供電的可穿戴設備保持緊湊和舒適。
在臨床環境中監測患者生命體征通常是需要經過嚴格校準的昂貴系統所執行的工作，需要將患者束縛在臨床監護儀旁邊。無線患者監測系統可提供患者舒適性和臨床便利性，只要仍然符合嚴格的醫療標準即可。
在設計可穿戴式溫度監測儀時，需要在功耗、尺寸、系統性能（射頻 [RF] 和精度方面）和患者舒適度之間進行許多權衡。例如，更輕薄、更柔軟的電池提供更大的舒適性，但可能需要更精心的電源管理。
更小、更低成本的設計需要在隔熱和射頻性能方面做出犧牲。用于長期監測的解決方案必須充分利用電路板面積來提高精度和信號完整性，同時盡可能降低電流消耗。系統設計人員必須平衡這些要求以及患者的舒適度和體驗。
閾值檢測
對于某些應用，不需要連續溫度采集，但系統保持高于或低于溫度閾值至關重要。TI 的溫度開關和數字溫度傳感器可實現簡單的自主溫度監測，從而通過遲滯功能檢測溫度是否超過極限。這些器件允許通過外部電阻器（可通過引腳編程、工廠編程或通過 I2C 進行設置）選擇閾值跳閘點。
在控制系統中，工作溫度是影響系統性能、可靠性和安全性的眾多關鍵因素之一。了解溫度對控制系統的影響可以幫助系統設計人員預測和防止熱損壞。
通常，控制系統的行為很好理解，并且它們在有限的溫度范圍內工作。在該溫度范圍之外工作時，控制系統可能出現效率降低、熱耗散增加和加速老化的情況。這些影響加在一起可能導致代價高昂的故障。
TMP303 集成式溫度開關采用窗口比較器，可通過超小尺寸（小外形晶體管 [SOT]-563）、低功耗（最大 5µA）和低電源電壓（低至 1.4V）特性提供設計靈活性。此器件運行時無需額外組件，并可以獨立于微處理器或微控制器工作。通過不同的器件選項可獲得七個跳閘點，這些均可在出廠時編程為任何所需溫度。
如圖 4 所示的 TMP390 是一個可通過電阻器進行編程并具有兩個內部比較器和兩個輸出的雙輸出溫度開關。TMP390 具有超低功耗（最大 1μA）和低電源電壓(1.62V) 特性。高溫跳閘點和低溫跳閘點均可配置為任何所需的溫度窗口，使遲滯選項介于 5°C 和 30°C 之間，只需兩個電阻器即可實現。單獨的高低溫跳閘輸出會產生獨立的警告信號供微處理器解釋。
圖 4.TMP390 框圖
溫度補償和校準
溫度漂移必須是糾正任何系統溫度變化的一個因素。溫度將影響從無源組件（電阻器和電容器）到有源組件（放大器、數據轉換器、基準電壓源、時鐘）的所有組件。光學元件也會受到溫度漂移的影響，導致改變強度、光譜偏移、靈敏度和噪聲。TI 的高線性度、高精度溫度傳感器可以提供反饋來糾正精密系統中的溫度影響。
現場變送器廣泛用于工廠自動化和控制到感應過程參數，如溫度、壓力和流速。現場變送器中使用的傳感器主要是模擬傳感器，必須使用模擬前端來精確采樣。由于現場變送器的布局方式所引起的工作條件，現場變送器可能要經受寬溫度范圍，因此需要某種形式的溫度補償。溫度補償系統在傳統上使用精確的溫度傳感器，如鉑電阻溫度檢測器 (RTD)，特別是在需要高精度和長使用壽命的工業應用中。
大多數 RTD 應用使用電流源來激勵 RTD 元件并在 RTD上產生電壓差，如圖 5 所示。該電壓與 RTD 的電阻和激勵電流成比例。電壓電勢經過放大，由模數轉換器 (ADC)轉換為數字輸出，然后饋入微控制器 (MCU)，在其中通過查找表將數字輸出轉換為溫度。
圖 5.基本 RTD 電路
TMP117 是一款專為低功耗、高精度應用而設計的數字溫度傳感器。該器件提供 16 位溫度結果且分辨率為0.0078°C；經過工廠校準的性能精度在 -25°C 至 +50°C范圍內為 ±0.1°C；在 -55°C 至 +150°C 的整個工作溫度范圍內為 ±0.3°C，這超過了 AA 類 RTD 的精度。
圖 6 顯示了對 TMP117 進行的油浴實驗的結果。該圖顯示出 TMP117 可以滿足 CJC 應用所需的 AA 類 RTD 的精度。
圖 6.TI TMP117 與 RTD 精度比較
TI的傳感器產品組合使工程師能夠實現大型設計，并且具有高精度，小尺寸的小型設計傳感器。該產品組合具有業界領先的封裝選項和世界上許多選項, 精確的傳感器，用于設計可靠的系統，及精確地智能預測。
本文轉載自TI.
本文轉載自TI.
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