當您開始選擇溫度傳感器時，您不再局限于模擬輸出或數字輸出設備。現在有多種傳感器類型可供選擇，其中一種應該符合您的系統需求。本應用筆記探討了各種可用的溫度傳感器IC，以幫助設計人員為特定設計做出最佳選擇。

當您開始選擇溫度傳感器時，您不再局限于模擬輸出或數字輸出設備。現在有多種傳感器類型可供選擇，其中一種應該符合您的系統需求。

當被問及我靠什么謀生時，我告訴人們我是一名模擬電子工程師。當下一個問題，“'模擬'是什么意思？我經常使用溫度傳感器來解釋這個概念。我告訴他們，我們工程師有時會使用傳感器，以電壓或電流的形式模擬溫度。為了進一步定義模擬世界，我將其與數字領域進行了對比，說電壓或電流信號通常轉換為1和0，以便計算機可以使用這些信息。有時這種解釋就足夠了;有時不會。

這種解釋所做的是建議溫度傳感器的基本遷移。直到最近，市場上的所有溫度傳感器都提供模擬輸出。熱敏電阻、RTD和熱電偶之后是另一種模擬輸出器件，即硅溫度傳感器。遺憾的是，在大多數應用中，這些模擬輸出器件的輸出端需要比較器、ADC或放大器才能發揮作用。

因此，當更高集成度變得可行時，可以使用帶有數字接口的溫度傳感器。這些IC以多種形式出售，從在超過特定溫度時發出信號的簡單設備到報告遠程和本地溫度，同時在編程溫度設置下提供警告的設備。現在的選擇不僅僅是在模擬輸出和數字輸出傳感器之間;有多種傳感器類型可供選擇。

溫度傳感器的類別

四種溫度傳感器類型如圖1所示。理想的模擬傳感器提供的輸出電壓是溫度 （A） 的完美線性函數。在傳感器（B）的數字I/O類中，溫度數據以多個1和0的形式傳遞到微控制器，通常通過串行總線。沿著同一總線，數據從微控制器發送到溫度傳感器，通常用于設置報警引腳數字輸出跳閘的溫度限值。警報在超過溫度限制時中斷微控制器。這種類型的設備還可以提供風扇控制。

圖1.傳感器和IC制造商目前提供四類溫度傳感器。

“模擬加”傳感器 （C） 提供各種類型的數字輸出。五世外與溫度曲線適用于數字輸出在超過特定溫度時切換的IC。在這種情況下，添加到模擬溫度傳感器的“加號”只不過是一個比較器和一個基準電壓源。其他類型的“加號”部件以部件選通后的延遲時間的形式運送溫度數據，或者以頻率或方波周期的形式發送溫度數據，這將在后面討論。

系統監視器（D）是四個IC中最復雜的IC。除了數字I/O類型提供的功能外，這種類型的設備通常監控系統電源電壓，當電壓上升或低于通過I/O總線設置的限值時提供警報。這種類型的IC有時包括風扇監控和/或控制。在某些情況下，此類設備用于確定風扇是否正常工作。更復雜的版本將風扇控制為一個或多個測量溫度的函數。這里不討論系統監視器傳感器，但簡要提及，以全面了解可用的溫度傳感器類型。

模擬輸出溫度傳感器

熱敏電阻和硅溫度傳感器是廣泛使用的模擬輸出溫度傳感器形式。圖2清楚地表明，當需要電壓和溫度之間的線性關系時，硅溫度傳感器是比熱敏電阻更好的選擇。然而，在較窄的溫度范圍內，熱敏電阻可以提供合理的線性度和良好的靈敏度。許多最初用熱敏電阻構建的電路隨著時間的推移而使用硅溫度傳感器進行了更新。

圖2.熱敏電阻和硅溫度傳感器（兩種流行的模擬輸出溫度檢測器）的線性度形成鮮明對比。

硅溫度傳感器具有不同的輸出刻度和偏移量。例如，有些輸出傳遞函數與K成比例，有些則與°C或°F成正比。 一些°C器件提供失調，因此可以使用單端電源監測負溫度。

在大多數應用中，這些器件的輸出被饋入比較器或A/D轉換器，以將溫度數據轉換為數字格式。盡管需要這些額外的設備，但由于在許多情況下使用成本低且使用方便，熱敏電阻和硅溫度傳感器繼續受到歡迎。

數字 I/O 溫度傳感器

大約五年前，推出了一種新型溫度傳感器。這些器件包括一個數字接口，允許與微控制器通信。該接口通常是I2C或SMBus串行總線，但其他串行接口（如SPI）也很常見。除了向微控制器報告溫度讀數外，該接口還接收來自微控制器的指令。這些指令通常是溫度限制，如果超過溫度限制，則會激活溫度傳感器 IC 上的數字信號，從而中斷微控制器。然后，微控制器能夠調整風扇速度或降低微處理器的速度，例如，保持溫度受控。

這種類型的設備具有多種功能，其中包括遠程溫度傳感。為了實現遙感，大多數高性能CPU都包含一個片上晶體管，可提供溫度的電壓模擬。（僅使用晶體管的兩個p-n結中的一個。圖 3 顯示了使用此技術監視的遠程 CPU。其他應用利用分立晶體管來執行相同的功能。

圖3.用戶可編程溫度傳感器監控遠程CPU片上p-n結的溫度。

其中一些類型的傳感器（包括圖3所示的傳感器）的另一個重要特性是，當測量溫度超出上限和下限范圍時，能夠中斷微控制器。在其他傳感器上，當測量的溫度超過高或低溫度閾值（即，不是兩者）時，會產生中斷。對于圖3中的傳感器，這些限值通過SMBus接口傳輸到溫度傳感器。如果溫度高于或低于限定范圍，警報信號會中斷處理器。

圖4所示是一個類似的器件。然而，它不是監測一個p-n結，而是監測四個結點和它自己的內部溫度。由于Maxim的MAX1668功耗很小，其內部溫度接近環境溫度。測量環境溫度可指示系統風扇是否正常運行。

圖4.用戶可編程溫度傳感器監測其自身的本地溫度和四個遠程p-n結的溫度。

在監控遠程溫度的同時控制風扇是圖5所示IC的主要功能。該部件的用戶可以在兩種不同的風扇控制模式之間進行選擇。在PWM模式下，微控制器通過改變發送到風扇的信號的占空比來控制風扇速度作為測量溫度的函數。這使得功耗遠低于該器件還提供的線性控制模式。由于一些風扇以控制它的PWM信號的頻率發出可聽見的聲音，因此線性模式可能是有利的，但代價是更高的功耗和額外的電路。但是，增加的功耗只是整個系統功耗的一小部分。

圖5.風扇控制器/溫度傳感器 IC 采用 PWM 或線性模式控制方案。

該IC提供警報信號，當溫度超過規定限值時中斷微控制器。還提供了信號形式的安全功能，稱為“顯性”（“過溫”的縮寫版本）。如果微控制器或軟件在溫度上升到危險水平時鎖定，警報信號將不再有用。然而，一旦溫度上升到通過SMBus設定的水平以上，顯性就會激活，通常用于控制電路，而無需借助微控制器。因此，在微控制器無法正常工作的高溫情況下，可以使用 overt 直接關閉系統電源，而無需微控制器，并防止潛在的災難性故障。

這種數字 I/O 類設備廣泛用于服務器、電池組和硬盤驅動器。在許多位置監控溫度以提高服務器的可靠性：主板（本質上是機箱內部的環境溫度）、CPU 芯片內部以及其他發熱組件，如圖形加速器和硬盤驅動器。出于安全原因，電池組集成了溫度傳感器，并優化了充電曲線，從而最大限度地延長了電池壽命。

監控硬盤驅動器的溫度有兩個很好的理由，這主要取決于主軸電機的速度和環境溫度：驅動器中的讀取錯誤在極端溫度下增加，并且通過溫度控制顯著改善硬盤的MTBF。通過測量系統內的溫度，您可以控制電機速度以優化可靠性和性能。驅動器也可以關閉。在高端系統中，可以為系統管理員生成警報，以指示極端溫度或可能丟失數據的情況。

模擬加溫度傳感器

“模擬加”傳感器通常適用于更簡單的測量應用。這些IC產生源自測量溫度的邏輯輸出，與數字I/O傳感器的區別主要是因為它們在單行上輸出數據，而不是串行總線。

在最簡單的模擬加傳感器實例中，當超過特定溫度時，邏輯輸出跳閘。其中一些器件在溫度上升到預設閾值以上時跳閘，而另一些器件則在溫度降至閾值以下時跳閘。其中一些傳感器允許使用電阻器調節溫度閾值，而其他傳感器則具有固定閾值。

圖6所示器件具有特定的內部溫度閾值。這三個電路說明了此類設備的常見用途：提供警告、關閉設備或打開風扇。

圖6.當溫度超過時發出信號的IC非常適合過溫/欠溫報警和簡單的開/關風扇控制。

當需要實際溫度讀數并且可以使用微控制器時，在單條線路上傳輸讀數的傳感器可能很有用。借助微控制器的內部計數器測量時間，來自此類溫度傳感器的信號很容易轉換為溫度測量值。圖7中的傳感器輸出方波，其頻率與環境溫度成正比，單位為開爾文。圖8中的器件類似，但方波的周期與環境溫度成正比，單位為開爾文。

圖7.傳輸方波的溫度傳感器，其頻率與以開爾文為單位的測量溫度成正比，是加熱器控制器電路的一部分。

圖8.該溫度傳感器傳輸一個方波，其周期與測量的溫度成正比，單位為開爾文。由于只需一條線路即可發送溫度信息，因此只需一個光隔離器即可隔離信號路徑。

圖9是一種真正新穎的方法，允許在此公共線路上連接多達<>個溫度傳感器。當微控制器的I/O端口同時使線路上的所有傳感器頻閃時，從這些傳感器中提取溫度數據的過程就開始了。然后，微控制器被快速重新配置為輸入，以便從每個傳感器接收數據。數據被編碼為傳感器被選通后發生的時間量。每個傳感器在特定時間范圍內對頻閃脈沖之后的這段時間進行編碼。通過為每個傳感器分配自己的允許時間范圍來避免碰撞。

圖9.微控制器最多可以選通連接在一條公共線路上的八個溫度傳感器，并接收從同一線路上的每個傳感器傳輸的溫度數據。

這種方法實現的精度高得驚人：室溫下的典型精度為0.8°C，與以發射方波頻率形式編碼溫度數據的IC精確匹配。使用方波周期的設備也是如此。

這些器件在電線受限的應用中表現出色。例如，當溫度傳感器必須與微控制器隔離時，成本保持在最低水平，因為只需要一個光隔離器。這些傳感器在汽車和HVAC應用中也非常有用，因為它們減少了長距離運行的銅量。

溫度傳感器的預期發展

IC溫度傳感器提供各種功能和接口。隨著這些器件的不斷發展，系統設計人員將看到更多特定于應用的功能以及將傳感器連接到系統的新方法。最后，芯片設計人員在同一芯片區域中集成更多電子設備的能力確保了溫度傳感器將很快包括新功能和特殊接口。

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