摘要

本文討論如何為特定應(yīng)用選擇合適的溫度傳感器。我們將介紹不同類型的溫度傳感器及其優(yōu)缺點(diǎn)。最后，我們將探討遠(yuǎn)程和本地檢測(cè)技術(shù)的最新進(jìn)展如何推動(dòng)科技進(jìn)步，從而創(chuàng)造出更多更先進(jìn)的溫度傳感器。

簡(jiǎn)介

溫度傳感器在眾多應(yīng)用場(chǎng)景中扮演著重要角色，包括消費(fèi)電子產(chǎn)品、環(huán)境監(jiān)測(cè)和工業(yè)加工。為確保溫度讀數(shù)準(zhǔn)確，選擇合適的溫度傳感器至關(guān)重要。市場(chǎng)上有各種各樣的溫度傳感器，選擇最合適的溫度傳感器可能并不容易。本文旨在提供指導(dǎo)，介紹如何為特定應(yīng)用選擇合適的溫度傳感器。

應(yīng)用

溫度的范圍非常廣泛，確定應(yīng)用要求的溫度范圍非常重要。除了溫度范圍，我們還要考慮準(zhǔn)確度、功耗、尺寸限制、通信協(xié)議（SMBus、SPI、I2C、1-Wire?等）和預(yù)算等要素，這些都有助于縮小最合適器件的選擇范圍。

溫度傳感器類型

從技術(shù)上講，目前較常用的四類溫度傳感器如下：

RTD（電阻溫度檢測(cè)器）：RTD在中等溫度范圍（-200℃至+850℃）內(nèi)具有出色的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。如果準(zhǔn)確度是首要考慮因素，那么RTD是不錯(cuò)的選擇。

熱電偶：如果應(yīng)用需要測(cè)量的溫度范圍非常寬泛，則通常使用熱電偶。它們?cè)诟邷兀?270℃至+1800℃）下的準(zhǔn)確度較低，但能夠適應(yīng)高溫情況，是高溫環(huán)境的不錯(cuò)之選。

熱敏電阻：熱敏電阻性價(jià)比高，通常用于消費(fèi)電子產(chǎn)品。它們?cè)谟邢薜臏囟确秶?270℃至+1800℃）內(nèi)的準(zhǔn)確度相對(duì)較好。

基于二極管的傳感器：基于二極管的傳感器利用二極管兩端的電壓降與溫度的關(guān)系來(lái)測(cè)量溫度。它們性價(jià)比高，溫度測(cè)量范圍有限（-55℃至+150℃），響應(yīng)速度快，并且比其他三種類型的溫度傳感器都要小。

基于二極管的溫度傳感器可以輕松地與微控制器、ADC和ASIC連接。它們的應(yīng)用范圍非常廣泛，涵蓋了消費(fèi)電子、工業(yè)自動(dòng)化、數(shù)據(jù)中心（存儲(chǔ)系統(tǒng)）、汽車以及眾多其他電子應(yīng)用。

通信

溫度傳感器的輸出可以是模擬電壓或數(shù)字信號(hào)。現(xiàn)代溫度傳感器采用數(shù)字通信，如SMBus、SPI、I2C和1-Wire接口，可與微控制器和其他數(shù)字器件進(jìn)行簡(jiǎn)單的通信。1-Wire接口支持將多個(gè)傳感器連接到同一條數(shù)據(jù)線。

圖1.MAX31888典型應(yīng)用電路

準(zhǔn)確度

選擇高準(zhǔn)確度的溫度傳感器至關(guān)重要，對(duì)于那些需要精確溫度讀數(shù)的應(yīng)用尤為如此。為此，應(yīng)選擇RTD或基于二極管的采用校準(zhǔn)的溫度傳感器。表1列出了ADI新款高準(zhǔn)確度溫度傳感器及其通信接口和封裝。

表1.新款溫度傳感器的準(zhǔn)確度

圖1為高準(zhǔn)確度溫度傳感器MAX31888示例。這是一款1-Wire高準(zhǔn)確度、低功耗數(shù)字溫度傳感器，在-20℃至+105℃范圍內(nèi)的準(zhǔn)確度達(dá)到驚人的±0.25℃，適用于精密溫度監(jiān)測(cè)應(yīng)用。在測(cè)量過(guò)程中，該IC消耗68 μA工作電流，分辨率為16位(0.005℃)。該傳感器通過(guò)1-Wire總線與微控制器通信，該總線僅需一根數(shù)據(jù)線（和一個(gè)接地參考）即可進(jìn)行通信。此外，該傳感器可以通過(guò)數(shù)據(jù)線直接從寄生電源獲得電力，無(wú)需外部電源。MAX31888采用6引腳μDFN封裝。外部電源的電源電壓范圍為1.7 V至3.6 V。工作溫度范圍為-40℃至+125℃。

功耗和尺寸

在可穿戴設(shè)備等電池供電的設(shè)備中，功耗和尺寸密切相關(guān)，這些都是選擇器件的關(guān)鍵考慮因素。低功耗傳感器可以縮短充電所需的時(shí)間并延長(zhǎng)電池壽命，同時(shí)保持其準(zhǔn)確度。圖2展示了新款低功耗溫度傳感器及其準(zhǔn)確度。

圖2.低功耗溫度傳感器與準(zhǔn)確度

MAX31875是一款準(zhǔn)確度為±1℃的本地溫度傳感器，帶有I2C/SMBus接口，其平均電源電流小于10 μA。典型應(yīng)用電路如圖3所示。該產(chǎn)品兼具超小封裝尺寸、溫度測(cè)量準(zhǔn)確度出色和電源電流消耗非常低等特性，是各種設(shè)備的理想選擇，尤其是電池供電和可穿戴設(shè)備。兼容I2C/SMBus的串行接口接受標(biāo)準(zhǔn)的寫入字節(jié)、讀取字節(jié)、發(fā)送字節(jié)和接收字節(jié)命令，以讀取溫度數(shù)據(jù)并配置傳感器的行為。MAX31875采用4引腳晶圓級(jí)封裝(WLP)，工作溫度范圍為-50℃至+150℃。

圖3.MAX31875典型應(yīng)用電路

CPU、FPGA、ASIC等（帶片上熱敏二極管）

為了保護(hù)CPU、FPGA和ASIC等高性能IC，半導(dǎo)體制造商會(huì)在芯片內(nèi)部集成溫度檢測(cè)二極管，二極管的一端會(huì)連接外部的雙極性晶體管，二極管用于測(cè)量本地溫度，外部晶體管用于測(cè)量遠(yuǎn)端溫度。熱敏晶體管位于IC裸片之上，因此測(cè)量準(zhǔn)確度明顯高于其他檢測(cè)技術(shù)。

ADI提供多種IC，可專門用于精確檢測(cè)熱敏二極管溫度，并將相關(guān)信號(hào)轉(zhuǎn)換到數(shù)字形式。其中有些器件僅測(cè)量一個(gè)熱敏二極管，但有些器件可以測(cè)量多達(dá)四個(gè)甚至八個(gè)熱敏二極管。圖4為一些這種類型的IC，包括MAX6654、MAX6655/MAX6656、MAX31730、MAX31732和MAX6581。

圖4.遠(yuǎn)端/本地多通道溫度傳感器

妥當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，再輔以內(nèi)部和外部濾波措施，遠(yuǎn)端二極管傳感器就能廣泛應(yīng)用于顯示器、時(shí)鐘發(fā)生器、內(nèi)存總線和PCI總線等存在電氣噪聲的環(huán)境中。

圖5為一個(gè)遠(yuǎn)程二極管傳感器示例。MAX31732是新款多通道溫度傳感器，可監(jiān)測(cè)自身溫度和多達(dá)四個(gè)外部晶體管的溫度。電阻抵消功能可補(bǔ)償電路板走線和外部熱敏二極管之間的高串聯(lián)電阻，而β補(bǔ)償可校正由低β檢測(cè)晶體管引起的溫度測(cè)量誤差。

該器件提供兩個(gè)開漏、低電平有效報(bào)警輸出和，分別監(jiān)測(cè)主要過(guò)溫/欠溫閾值水平。非易失性存儲(chǔ)器(NVM)支持傳感器在上電期間對(duì)配置寄存器進(jìn)行編程，無(wú)需軟件/固件干預(yù)。雙線式串行接口支持SMBus協(xié)議（寫入字節(jié)、讀取字節(jié)、發(fā)送字節(jié)和接收字節(jié)），可讀取溫度數(shù)據(jù)并對(duì)溫度閾值進(jìn)行編程設(shè)置。

圖5.MAX31732典型應(yīng)用電路

結(jié)論

為了選擇適當(dāng)?shù)臏囟葌鞲衅鳎枰屑?xì)考慮各種因素，包括應(yīng)用要求、準(zhǔn)確度、周圍條件、輸出接口、功耗和成本。通過(guò)了解這些因素并評(píng)估可用的方案，您可以選擇滿足特定需求并確保能在應(yīng)用中準(zhǔn)確可靠地測(cè)量溫度的溫度傳感器。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，事先投入時(shí)間和精力，認(rèn)真選擇合適的溫度傳感器，有助于提升系統(tǒng)的性能、效率和成本效益。硅基溫度傳感器技術(shù)已經(jīng)取得重大進(jìn)展，準(zhǔn)確度大幅提高，能夠?qū)崿F(xiàn)非常精準(zhǔn)的測(cè)量。為了獲得出色的準(zhǔn)確度，IC設(shè)計(jì)人員在校準(zhǔn)方面付出了巨大的努力。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc.是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬(wàn)物的可靠互聯(lián)。ADI公司2024財(cái)年收入超過(guò)90億美元，全球員工約2.4萬(wàn)人。ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

作者簡(jiǎn)介

Mehrdad Peyvan 于1995年加入ADI公司，期間曾擔(dān)任過(guò)多個(gè)職位。他目前在美國(guó)加利福尼亞州圣何塞的產(chǎn)品應(yīng)用部門工作，負(fù)責(zé)溫度傳感器和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器相關(guān)業(yè)務(wù)。他擁有電子工程碩士學(xué)位。