三大溫度設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

? 溫度監(jiān)測： 溫度傳感器提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)來持續(xù)跟蹤溫度條件，并為控制系統(tǒng)提供反饋。此監(jiān)測可以是系統(tǒng)溫度監(jiān)測或環(huán)境溫度監(jiān)測。在一些應(yīng)用中，我們可以看到設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)的特點(diǎn)是需要在控制回路中同時(shí)實(shí)現(xiàn)這兩種監(jiān)測。這些監(jiān)測包括系統(tǒng)溫度監(jiān)測、環(huán)境

溫度監(jiān)測以及身體或流體溫度監(jiān)測。

? 溫度保護(hù)： 在多種應(yīng)用中，一旦系統(tǒng)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(shí)提供輸出警報(bào)以防止系統(tǒng)損壞。在不影響系統(tǒng)可靠性的情況下提升處理器吞吐量是可行的。系統(tǒng)經(jīng)常過早啟動(dòng)安全熱關(guān)斷，結(jié)果造成高達(dá)5°C 甚至 10°C 的性能損失。當(dāng)系統(tǒng)超過或低于功能溫度閾值時(shí)，工程師可以自主啟動(dòng)實(shí)時(shí)保護(hù)措施。

? 溫度補(bǔ)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(tǒng)性能。監(jiān)測和校正其他關(guān)鍵組件在發(fā)熱和冷卻時(shí)的溫漂可降低系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。

溫度傳感基本原理

在嵌入式系統(tǒng)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(shè)計(jì)人員必須監(jiān)測整體溫度以確保安全并保護(hù)系統(tǒng)。在應(yīng)用中集成更多傳感器進(jìn)一步推動(dòng)了對溫度測量的需求，不僅要測量系統(tǒng)條件或環(huán)境條件，還要補(bǔ)償溫度敏感元件并保持整體系統(tǒng)精度。

實(shí)現(xiàn)高效溫度監(jiān)測和保護(hù)的注意事項(xiàng)包括：

? 精度： 傳感器精度表示溫度與真實(shí)值的接近程度。在確定精度時(shí)，必須考慮所有因素，包括采集電路以及整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)的線性度。

? 尺寸： 傳感器的尺寸會(huì)對設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，而分析整個(gè)電路有助于實(shí)現(xiàn)更優(yōu)化的設(shè)計(jì)。傳感器尺寸還決定了熱響應(yīng)時(shí)間，這對于體溫監(jiān)測等應(yīng)用非常重要。

? 傳感器放置： 傳感器的封裝和放置會(huì)影響響應(yīng)時(shí)間和傳導(dǎo)路徑；這兩個(gè)因素都對高效溫度設(shè)計(jì)至關(guān)重要。工業(yè)中常見的溫度傳感器技術(shù)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(shè)計(jì)挑戰(zhàn)評選適合的技術(shù)時(shí)參考的主要特性。

表 1. 比較溫度傳感技術(shù)

系統(tǒng)溫度監(jiān)測

對于許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)，有必要監(jiān)測高功率組件（處理器、現(xiàn)場可編程門陣列、場效應(yīng)晶體管）以確保系統(tǒng)和用戶安全。溫度讀數(shù)的精確性非常重要，因?yàn)樗乖O(shè)計(jì)人員能夠在提高性能的同時(shí)保持在安全限制內(nèi)，或者通過避免在其他地方過度設(shè)計(jì)來降低系統(tǒng)成本。德州儀器 （TI） 的緊湊型高精度溫度傳感器產(chǎn)品系列可以更靠近這些關(guān)鍵組件放置，實(shí)現(xiàn)最精確的測量。

電路中的溫度問題會(huì)影響系統(tǒng)性能并損壞昂貴組件。通過測量印刷電路板 （PCB） 中存在熱點(diǎn)或高耗電集成電路（IC） 的區(qū)域的溫度，有助于識(shí)別熱問題，進(jìn)而及時(shí)采取預(yù)防或糾正措施。

您可能希望監(jiān)測高耗電 IC（例如中央處理單元、專用 IC、現(xiàn)場可編程門陣列或數(shù)字信號(hào)處理器）的管芯溫度以動(dòng)態(tài)調(diào)整其性能，或者可能希望監(jiān)測功率級周圍的熱區(qū)，以便控制系統(tǒng)中的風(fēng)扇速度或啟動(dòng)安全系統(tǒng)關(guān)閉程序。最終目標(biāo)是優(yōu)化性能并保護(hù)昂貴的設(shè)備。圖 1 顯示了高性能計(jì)算機(jī)主板上的溫度監(jiān)測系統(tǒng)。

圖 1.復(fù)合型 PCB 板上的溫度監(jiān)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(xiàn)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(fù)雜。通過溫度監(jiān)測，這些系統(tǒng)不僅可以啟動(dòng)安全系統(tǒng)關(guān)閉程序，還可以利用溫度數(shù)據(jù)來動(dòng)態(tài)調(diào)整性能。

監(jiān)測過程溫度可以提高系統(tǒng)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(huì)激活散熱風(fēng)扇，修改系統(tǒng)時(shí)鐘，或者在處理器超過其溫度閾值時(shí)快速關(guān)閉系統(tǒng)。

圖 2.搭載高性能處理器的主板通常需要散熱器

環(huán)境溫度監(jiān)測

在許多應(yīng)用中，環(huán)境空氣溫度監(jiān)測對于控制環(huán)境條件或確保安全操作條件至關(guān)重要。準(zhǔn)確快速地測量環(huán)境溫度通常面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)閭鞲衅骺赡懿粫?huì)完全暴露于外部環(huán)境并可能受到系統(tǒng)中其他組件的自發(fā)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(shí)現(xiàn)更快的熱響應(yīng)。

使用表面貼裝器件來測量環(huán)境溫度可能具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)閬碜云渌吆碾婋娮釉臒醾鬟f會(huì)影響傳感器的溫度讀數(shù)。要精確測量環(huán)境溫度，必須采用良好的布局方法，例如了解主要的導(dǎo)熱路徑、隔離傳感器封裝以及將器件放置在遠(yuǎn)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(shè)計(jì)。在圖 3 中，系統(tǒng)自發(fā)熱產(chǎn)生的被動(dòng)氣流在溫度傳感器 A上方吸入外部空氣。傳感器放置在遠(yuǎn)離主要熱源（中央處理單元）的進(jìn)氣口處，并經(jīng)過隔熱以確保更精確的測量。

圖 3.溫度傳感器恒溫器設(shè)計(jì)熱輻射和印刷電路板 （PCB） 布局

體溫監(jiān)測

了解患者的體溫是任何臨床診斷的關(guān)鍵第一步，也是運(yùn)動(dòng)員的重要關(guān)注點(diǎn)。除了要求超高精度外，行業(yè)正朝著緊湊型可穿戴設(shè)備的方向發(fā)展，以提供持續(xù)的溫度監(jiān)測。精度高達(dá) 0.1°C 的溫度傳感器不僅符合美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì) （ASTM） E1112 對醫(yī)用溫度計(jì)的要求，而且還經(jīng)過優(yōu)化，可使電池供電的可穿戴設(shè)備保持緊湊和舒適。

在臨床環(huán)境中監(jiān)測患者生命體征通常是需要經(jīng)過嚴(yán)格校準(zhǔn)的昂貴系統(tǒng)所執(zhí)行的工作，需要將患者束縛在臨床監(jiān)護(hù)儀旁邊。無線患者監(jiān)測系統(tǒng)可提供患者舒適性和臨床便利性，只要仍然符合嚴(yán)格的醫(yī)療標(biāo)準(zhǔn)即可。

在設(shè)計(jì)可穿戴式溫度監(jiān)測儀時(shí)，需要在功耗、尺寸、系統(tǒng)性能（射頻 ［RF］ 和精度方面）和患者舒適度之間進(jìn)行許多權(quán)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(shè)計(jì)需要在隔熱和射頻性能方面做出犧牲。用于長期監(jiān)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(hào)完整性，同時(shí)盡可能降低電流消耗。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須平衡這些要求以及患者的舒適度和體驗(yàn)。

閾值檢測

對于某些應(yīng)用，不需要連續(xù)溫度采集，但系統(tǒng)保持高于或低于溫度閾值至關(guān)重要。TI 的溫度開關(guān)和數(shù)字溫度傳感器可實(shí)現(xiàn)簡單的自主溫度監(jiān)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(jìn)行設(shè)置）選擇閾值跳閘點(diǎn)。

在控制系統(tǒng)中，工作溫度是影響系統(tǒng)性能、可靠性和安全性的眾多關(guān)鍵因素之一。了解溫度對控制系統(tǒng)的影響可以幫助系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員預(yù)測和防止熱損壞。

通常，控制系統(tǒng)的行為很好理解，并且它們在有限的溫度范圍內(nèi)工作。在該溫度范圍之外工作時(shí)，控制系統(tǒng)可能出現(xiàn)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(dǎo)致代價(jià)高昂的故障。

TMP303 集成式溫度開關(guān)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(shè)計(jì)靈活性。此器件運(yùn)行時(shí)無需額外組件，并可以獨(dú)立于微處理器或微控制器工作。通過不同的器件選項(xiàng)可獲得七個(gè)跳閘點(diǎn)，這些均可在出廠時(shí)編程為任何所需溫度。

如圖 4 所示的 TMP390 是一個(gè)可通過電阻器進(jìn)行編程并具有兩個(gè)內(nèi)部比較器和兩個(gè)輸出的雙輸出溫度開關(guān)。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(diǎn)和低溫跳閘點(diǎn)均可配置為任何所需的溫度窗口，使遲滯選項(xiàng)介于 5°C 和 30°C 之間，只需兩個(gè)電阻器即可實(shí)現(xiàn)。單獨(dú)的高低溫跳閘輸出會(huì)產(chǎn)生獨(dú)立的警告信號(hào)供微處理器解釋。

圖 4.TMP390 框圖

溫度補(bǔ)償和校準(zhǔn)

溫度漂移必須是糾正任何系統(tǒng)溫度變化的一個(gè)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器、基準(zhǔn)電壓源、時(shí)鐘）的所有組件。光學(xué)元件也會(huì)受到溫度漂移的影響，導(dǎo)致改變強(qiáng)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(tǒng)中的溫度影響。

現(xiàn)場變送器廣泛用于工廠自動(dòng)化和控制到感應(yīng)過程參數(shù)，如溫度、壓力和流速?，F(xiàn)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(xiàn)場變送器的布局方式所引起的工作條件，現(xiàn)場變送器可能要經(jīng)受寬溫度范圍，因此需要某種形式的溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償系統(tǒng)在傳統(tǒng)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(yè)應(yīng)用中。

大多數(shù) RTD 應(yīng)用使用電流源來激勵(lì) RTD 元件并在 RTD上產(chǎn)生電壓差，如圖 5 所示。該電壓與 RTD 的電阻和激勵(lì)電流成比例。電壓電勢經(jīng)過放大，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出，然后饋入微控制器 （MCU），在其中通過查找表將數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換為溫度。

圖 5.基本 RTD 電路

TMP117 是一款專為低功耗、高精度應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字溫度傳感器。該器件提供 16 位溫度結(jié)果且分辨率為0.0078°C；經(jīng)過工廠校準(zhǔn)的性能精度在 -25°C 至 50°C范圍內(nèi)為 ±0.1°C；在 -55°C 至 150°C 的整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)為 ±0.3°C，這超過了 AA 類 RTD 的精度。

圖 6 顯示了對 TMP117 進(jìn)行的油浴實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。該圖顯示出 TMP117 可以滿足 CJC 應(yīng)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(chǎn)品組合使工程師能夠?qū)崿F(xiàn)大型設(shè)計(jì)，并且具有高精度，小尺寸的小型設(shè)計(jì)傳感器。該產(chǎn)品組合具有業(yè)界領(lǐng)先的封裝選項(xiàng)和世界上許多選項(xiàng)， 精確的傳感器，用于設(shè)計(jì)可靠的系統(tǒng)，及精確地智能預(yù)測。

編輯：hfy