如何為特定應用選擇溫度傳感器

簡介

溫度傳感器在眾多應用場景中扮演著重要角色，包括消費電子產品、環境監測和工業加工。為確保溫度讀數準確，選擇合適的溫度傳感器至關重要。市場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，介紹如何為特定應用選擇合適的溫度傳感器。

應用

溫度的范圍非常廣泛，確定應用要求的溫度范圍非常重要。除了溫度范圍，我們還要考慮準確度、功耗、尺寸限制、通信協議（SMBus、SPI、I2C、1-Wire^?等）和預算等要素，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

從技術上講，目前較常用的四類溫度傳感器如下：

RTD（電阻溫度檢測器）：RTD在中等溫度范圍（-200℃至+850℃）內具有出色的準確度和穩定性。如果準確度是首要考慮因素，那么RTD是不錯的選擇。

熱電偶：如果應用需要測量的溫度范圍非常寬泛，則通常使用熱電偶。它們在高溫（-270℃至+1800℃）下的準確度較低，但能夠適應高溫情況，是高溫環境的不錯之選。

熱敏電阻：熱敏電阻性價比高，通常用于消費電子產品。它們在有限的溫度范圍（-270℃至+1800℃）內的準確度相對較好。

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系來測量溫度。它們性價比高，溫度測量范圍有限（-55℃至+150℃），響應速度快，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。它們的應用范圍非常廣泛，涵蓋了消費電子、工業自動化、數據中心（存儲系統）、汽車以及眾多其他電子應用。

通信

溫度傳感器的輸出可以是模擬電壓或數字信號。現代溫度傳感器采用數字通信，如SMBus、SPI、I2C和1-Wire接口，可與微控制器和其他數字器件進行簡單的通信。1-Wire接口支持將多個傳感器連接到同一條數據線。

圖1 MAX31888典型應用電路

準確度

選擇高準確度的溫度傳感器至關重要，對于那些需要精確溫度讀數的應用尤為如此。為此，應選擇RTD或基于二極管的采用校準的溫度傳感器。表1列出了ADI新款高準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確度

圖1為高準確度溫度傳感器MAX31888示例。這是一款1-Wire高準確度、低功耗數字溫度傳感器，在-20℃至+105℃范圍內的準確度達到驚人的±0.25℃，適用于精密溫度監測應用。在測量過程中，該IC消耗68 μA工作電流，分辨率為16位(0.005℃)。該傳感器通過1-Wire總線與微控制器通信，該總線僅需一根數據線（和一個接地參考）即可進行通信。此外，該傳感器可以通過數據線直接從寄生電源獲得電力，無需外部電源。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3.6V。工作溫度范圍為-40℃至+125℃。

功耗和尺寸

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

圖2 低功耗溫度傳感器與準確度

MAX31875是一款準確度為±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。典型應用電路如圖3所示。該產品兼具超小封裝尺寸、溫度測量準確度出色和電源電流消耗非常低等特性，是各種設備的理想選擇，尤其是電池供電和可穿戴設備。兼容I2C/SMBus的串行接口接受標準的寫入字節、讀取字節、發送字節和接收字節命令，以讀取溫度數據并配置傳感器的行為。MAX31875采用4引腳晶圓級封裝(WLP)，工作溫度范圍為-50℃至+150℃。

圖3 MAX31875典型應用電路

CPU、FPGA、ASIC等（帶片上熱敏二極管）

為了保護CPU、FPGA和ASIC等高性能IC，半導體制造商會在芯片內部集成溫度檢測二極管，二極管的一端會連接外部的雙極性晶體管，二極管用于測量本地溫度，外部晶體管用于測量遠端溫度。熱敏晶體管位于IC裸片之上，因此測量準確度明顯高于其他檢測技術。

ADI提供多種IC，可專門用于精確檢測熱敏二極管溫度，并將相關信號轉換到數字形式。其中有些器件僅測量一個熱敏二極管，但有些器件可以測量多達四個甚至八個熱敏二極管。圖4為一些這種類型的IC，包括MAX6654、MAX6655/MAX6656、MAX31730、MAX31732和MAX6581。

圖4 遠端/本地多通道溫度傳感器

妥當的設計，再輔以內部和外部濾波措施，遠端二極管傳感器就能廣泛應用于顯示器、時鐘發生器、內存總線和PCI總線等存在電氣噪聲的環境中。

圖5為一個遠程二極管傳感器示例。MAX31732是新款多通道溫度傳感器，可監測自身溫度和多達四個外部晶體管的溫度。電阻抵消功能可補償電路板走線和外部熱敏二極管之間的高串聯電阻，而β補償可校正由低β檢測晶體管引起的溫度測量誤差。

該器件提供兩個開漏、低電平有效報警輸出和，分別監測主要過溫/欠溫閾值水平。非易失性存儲器(NVM)支持傳感器在上電期間對配置寄存器進行編程，無需軟件/固件干預。雙線式串行接口支持SMBus協議（寫入字節、讀取字節、發送字節和接收字節），可讀取溫度數據并對溫度閾值進行編程設置。

圖5 MAX31732典型應用電路

結論

為了選擇適當的溫度傳感器，需要仔細考慮各種因素，包括應用要求、準確度、周圍條件、輸出接口、功耗和成本。通過了解這些因素并評估可用的方案，您可以選擇滿足特定需求并確保能在應用中準確可靠地測量溫度的溫度傳感器。從長遠來看，事先投入時間和精力，認真選擇合適的溫度傳感器，有助于提升系統的性能、效率和成本效益。硅基溫度傳感器技術已經取得重大進展，準確度大幅提高，能夠實現非常精準的測量。為了獲得出色的準確度，IC設計人員在校準方面付出了巨大的努力。

作者簡介

Mehrdad Peyvan 于1995年加入ADI公司，期間曾擔任過多個職位。他目前在美國加利福尼亞州圣何塞的產品應用部門工作，負責溫度傳感器和風扇驅動器相關業務。他擁有電子工程碩士學位。