許多技術(shù)可供需要測量系統(tǒng)內(nèi)溫度的設(shè)計人員使用。熱敏電阻、熱電偶、RTD和溫度傳感器IC在任何給定情況下都有優(yōu)點和缺點。本文比較了最流行的溫度傳感技術(shù)。它討論了每種技術(shù)是否適合監(jiān)控常見目標，例如 PC 板、環(huán)境空氣和高功率電路（如 CPU 和 FPGA）。

溫度傳感技術(shù)

傳感器通常用于電子系統(tǒng)中，以監(jiān)測溫度并提供防止溫度過度偏移的保護。下面列出了在系統(tǒng)內(nèi)最常用的技術(shù)。

熱電偶是通過連接兩根不同金屬線制成的。導(dǎo)線之間的接觸點產(chǎn)生與溫度大致成比例的電壓。特性包括寬溫度范圍（高達1250°C）、低成本、極低輸出電壓（K型約為每°C40μV）、合理的線性度和中等復(fù)雜的信號調(diào)理（冷端補償和放大）。有幾種熱電偶類型，由字母表示。Maxim生產(chǎn)的IC（MAX6674和MAX6675）為K型熱電偶提供信號調(diào)理功能，簡化了設(shè)計任務(wù)，顯著減少了放大、冷端補償和數(shù)字化熱電偶輸出所需的元件數(shù)量。熱電偶有探頭和裸引線。

RTD本質(zhì)上是電阻器（通常由鉑線制成），其電阻隨溫度變化。特性包括寬溫度范圍（高達750°C）、出色的精度和可重復(fù)性、合理的線性度以及信號調(diào)理需求。RTD的信號調(diào)理通常由精密電流源和高分辨率ADC組成。成本可能很高。RTD 采用探頭、表面貼裝封裝和裸引線。

熱敏電阻是與溫度相關(guān)的電阻器，通常由導(dǎo)電材料模制而成。最常見的熱敏電阻具有負溫度系數(shù)（NTC）電阻。特性包括中等溫度范圍（高達150°C）、低至中等成本（取決于精度）、較差但可預(yù)測的線性度，以及需要一些信號調(diào)理。熱敏電阻采用探頭、表面貼裝封裝、裸引線和各種專用封裝。Maxim生產(chǎn)的IC可將熱敏電阻轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。

IC溫度傳感器是完整的硅基傳感電路，具有模擬或數(shù)字輸出。特性包括中等溫度范圍（高達約150°C）、低成本、出色的線性度以及信號調(diào)理、比較器和數(shù)字接口等附加功能。數(shù)字格式多種多樣，包括3線和4線（如SPI?）、2線（I2C和SMBus?）和單線（1線?、PWM、頻率和周期）。請注意，信號調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和恒溫功能都會增加其他檢測技術(shù)的成本，但通常包含在傳感器 IC 中。IC溫度傳感器主要采用表面貼裝封裝。

為系統(tǒng)測量目標選擇合適的溫度傳感器

選擇正確的傳感器技術(shù)首先要了解需要測量溫度的目標的特性和要求。下面列出了一些常見的溫度測量目標，并在表1中進行了總結(jié)。

印刷電路板

表面貼裝傳感器最適合 PC 板測量。RTD、熱敏電阻和 IC 傳感器采用表面貼裝封裝，溫度范圍與檢測 PC 板的溫度兼容。RTD非常精確，可產(chǎn)生高度可重復(fù)的測量，但與熱敏電阻和IC相比可能成本高昂。熱敏電阻是非常非線性的，但非線性是可預(yù)測的。當(dāng)在較窄的溫度范圍內(nèi)使用時，通常只需一兩個外部電阻即可合理地線性化。如果精度不是關(guān)鍵，熱敏電阻可能很便宜;但是，精密熱敏電阻可能價格適中。如果必須使用線性化計算或查找表，系統(tǒng)成本和復(fù)雜性可能會顯著增加。IC具有出色的線性度和附加功能，例如數(shù)字接口或恒溫器功能。在測量 PC 板溫度時，這些特性通常使它們在系統(tǒng)成本、設(shè)計復(fù)雜性和性能方面優(yōu)于其他傳感器技術(shù)。

準確測量 PC 板溫度的關(guān)鍵之一是將傳感器定位在正確的位置。通常測量特定組件或組件組的溫度，以確保溫度不超過安全工作范圍，或補償溫度引起的組件性能變化。當(dāng)傳感器的位置至關(guān)重要時，請尋找小型封裝的溫度傳感器，例如SOT23，這些傳感器可以輕松放置在適當(dāng)?shù)奈恢茫粫蓴_布局。當(dāng)傳感器需要位于可能電噪聲較大或遠離其他溫度相關(guān)電路的場所時，數(shù)字輸出非常有用。

環(huán)境空氣

環(huán)境空氣溫度很難測量，因為傳感器的溫度必須受到空氣的影響，但與可能處于不同溫度的其他組件（PC 板、電源、CPU）隔離。熱敏電阻、熱電偶和RTD采用長引線，將傳感元件與印刷電路板溫度隔離開來。如果引線足夠長，則傳感元件將處于環(huán)境溫度，盡管引線連接到印刷電路板，而印刷電路板可能處于不同的溫度。圖1（a）顯示了安裝在印刷電路板表面上方以測量環(huán)境空氣溫度的熱敏電阻示例。

IC 可幫助對其他類型的傳感器進行信號調(diào)理。例如，MAX6603為RTD提供方便的模擬接口，MAX6691、MAX6697等具有熱敏電阻數(shù)字功能，MAX6674和MAX6675將K型熱電偶信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。圖1（b）所示為MAX6675和K型熱電偶測量環(huán)境溫度。

表面貼裝IC更難用于測量環(huán)境溫度，因為IC傳感器的最佳熱路徑是通過其引線，其溫度與印刷電路板相同。如果印刷電路板未處于環(huán)境溫度（例如，如果它包含耗散足夠功率以提高其溫度的組件），則表面貼裝IC將不會測量環(huán)境溫度。但是，由于IC溫度傳感器具有額外的系統(tǒng)功能，例如數(shù)字輸出或恒溫器功能，因此有時用于環(huán)境空氣溫度傳感。這通常是通過將它們放置在環(huán)境溫度下的小型“衛(wèi)星”PC 板上來完成的。

請注意，即使是傳統(tǒng)的IC封裝，如TO-92s，也將IC傳感器抬高到印刷電路板上方，通過其引線導(dǎo)熱，測得的溫度實際上等于印刷電路板溫度。采用 TO-92 封裝的一個極好解決方案是將封裝安裝在電路板上方一對細長的雙絞線末端，如圖 1（c） 所示。DS18S20是一款采用Maxim的1-Wire數(shù)字接口的精密傳感器，用于測量環(huán)境溫度。

圖 1（a）.熱敏電阻監(jiān)測空氣溫度。請注意，長熱敏電阻引線提供與電路板表面的熱隔離。熱敏電阻溫度可通過MAX6697或MAX6691等IC轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。

圖 1（b）.MAX6675使用熱電偶檢測環(huán)境溫度，提供冷端補償，并將熱電偶的輸出直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。

圖 1（c）.DS18S20精密1-Wire溫度傳感器IC安裝在一對雙絞線的末端，用于將傳感器與印刷電路板隔離。在這種情況下，DS18S20由數(shù)據(jù)線供電。數(shù)據(jù)和電源由微控制器的I/O引腳控制。

CPU、圖形處理器、FPGA、電源器件、模塊等

大功率元件的溫度通常可以通過器件附近或下方的表面貼裝傳感器（熱敏電阻、IC或RTD）來測量。如果這不切實際，或者如果設(shè)備具有散熱器或其他必須測量的表面，則可以將帶有長引線（熱電偶、RTD 和熱敏電阻）的傳感器與要測量的表面接觸。如果要測量的溫度超過約150°C，熱電偶或RTD是最佳選擇。接近或高于750°C，熱電偶成為唯一的選擇。

CPU、圖形處理器、FPGA、功率器件、模塊等（帶板載熱敏二極管）

一些組件，尤其是高性能IC，如CPU、圖形處理器（GPU）和FPGA，包括一個二極管連接的雙極晶體管，用于感測溫度。由于熱檢測晶體管位于IC芯片上，因此測量精度遠遠優(yōu)于其他傳感技術(shù)，并且熱時間常數(shù)非常小。

Maxim生產(chǎn)多款I(lǐng)C專用于精確測量熱二極管的溫度并將其直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式。其中一些IC測量單個熱二極管，而其他IC則測量多達四個。信號電平很小（大約為每°C200μV），但仍大于熱電偶。內(nèi)部和外部濾波，加上布局上的合理謹慎，使遠程二極管傳感器能夠廣泛用于計算機、服務(wù)器和工作站等電氣噪聲設(shè)備。這些IC中的大多數(shù)都提供保護目標IC的附加功能，例如過熱報警引腳，如果溫度超過目標的安全工作限值，可用于關(guān)閉系統(tǒng)。遠端二極管傳感器（MAX6642）的示例如圖2所示。該 IC 可測量熱敏二極管溫度及其自身溫度高達 150°C，還提供過熱報警輸出，其跳閘溫度可通過 SMBus 編程。

圖2.MAX6642是世界上最小的遠端溫度傳感器。它具有一個 ALERT 引腳，可用作中斷或系統(tǒng)關(guān)斷信號，以保護目標 IC 免受過熱損壞。

結(jié)論

系統(tǒng)設(shè)計人員可以使用幾種不同的溫度傳感技術(shù)。正確的技術(shù)取決于要測量的目標溫度，以及其他系統(tǒng)要求，如成本、電路尺寸和設(shè)計時間。Maxim全面的溫度檢測IC系列可幫助設(shè)計人員解決常見的溫度測量問題，具有出色的性能和較低的總成本。

審核編輯：郭婷