板载温度传感器
发布于2022-09-01
检测并控制热量
在监测和控制PCB或电气系统上的热量时，温度传感器可以成为重要的工具。以往，温度传感器都是分立元件，不会安装在电路板上，然而随着近年来的技术发展，板载的集成温度传感器已经出现，并且正在普及。
本文中，我们将讨论一些标准的温度传感器，并深入探讨有关板载温度传感器的概念、方法和原理。
接触式传感器的类型
模拟输出
热敏电阻是最常见的温度传感器类型之一，它们大致可以分为负温度系数 (NTC) 或正温度系数 (PTC) 器件。NTC热敏电阻（如图1所示）包含一层半导体化合物，其电阻值随温度升高而变小；而PTC热敏电阻则采用更复杂的传感器元件，其电阻值随温度升高而变大。这两种传感器都是基于电阻的，因而没有极性。
图1：采用各种安装方式的NTC热敏电阻温度传感器。（图源：《Encyclopedia of Electronic Components》（电子元件百科全书）第三卷，作者：Charles Platt和Fredrik Jansson，版权所有 © 2016 Charles Platt，经许可使用）
电阻温度计 (RTD) 是另一种流行的温度传感器，它测量温度采用的是电阻随温度成比例变化的金属薄膜。RTD传感器利用了金属单质电阻会随温度升高而略微变大的特性，其响应比NTC热敏电阻更加线性，但温度系数很低，而且容易因通过的电流导致自身发热而受影响。与此同时，RTD还表现出了更强的抗振动能力，而且和热敏电阻一样没有极性。
除了以上类型外，模拟输出温度传感器还有半导体温度传感器。这种器件包含一个由二极管或晶体管结组成的传感元件；其模拟输出通常有一个PTC。此类传感器往往能够采用多种封装形式，包括表面贴装、TO-92（图2）、TO-220和TO-3。为了提高性能，半导体温度传感器通常会在工厂进行校准，其响应几乎就是线性的。
图2：采用TO-92封装的LM35传感器。（图源：AlexR/Stock.Adobe.com）
数字输出
半导体温度传感器可以带有额外的板载处理，以实现数字输出，其编码格式因制造商和传感器类型而异。
此类传感器有时会被称为基于芯片的温度传感器或集成电路 (IC) 温度传感器。大多数情况下，这些温度传感器采用表面贴装封装，但在少数情况下可能是通孔器件。由于是数字器件，这些传感器需要电源输入，标准电压轨通常为5VDC或3.3VDC。
热电偶
热电偶（图3）是另一种流行的温度传感器，它由两根不同金属制成的导线焊接在一起而构成。这两根导线会形成一个结点，而它们的不同热电特性会在自由端产生一个非常小的电势，由此便可得出结点的温度。与热敏电阻和RTD不同，热电偶是有极性的。
与任何其他类型的传感器相比，热电偶可用于测量更广泛的极端温度。热电偶在恶劣条件下非常实用，因为它们的构造简单，几乎不受振动影响，从而成为了供暖、通风和空调设备的流行选择。不过，热电偶对温度的响应高度非线性，所产生的微小电压也很容易受到电噪声的破坏，所以它们的精度往往只能局限于+/− 0.5°C的水平。
图3：一款热电偶传感器的尖端，背景网格的单位为毫米。（图源：《Encyclopedia of Electronic Components》（电子元件百科全书）第三卷，作者：Charles Platt和Fredrik Jansson，版权所有 © 2016 Charles Platt，经许可使用）
了解板载传感器
如果传感器所测量的温度超出了传感器的其他元件所能承受的范围，这种情况下往往就会采用板载传感器以确保性能和可用性。
使用板载传感器时，有四种常见的响应方式，分别为：
- 通过警报声提醒最终用户。
- 更新温度显示屏。
- 触发纠正措施，如开启散热风扇。
- 关断设备。
要解释传感器的输出并激活适当的响应，可以在简单的电路中使用分立元件。例如，可以将一个基本的NTC热敏电阻用作分压器的一半，以确定这个分压器中心的电压。这个输出又可以连接到一个比较器的输入，从而实现简单的高低电压输出。如果在比较器中添加合适的元件，还可以实现迟滞。
微控制器上模拟输入引脚的高阻抗可以评估分压器的状态。微控制器内的模数转换器将电压转换为数字值，可用于控制固件中的条件分支。
微控制器也可以与具有数字输出的传感器结合使用。此时，微控制器需要使用I2C或SPI等总线协议来识别特定传感器并轮询其状态。这样一来，微控制器就可以为检测和应对热状况提供多种精巧的选项。
集成与实现
在将标准和板载温度传感器集成并实施到设计中时，有几个因素是必须要考虑的。
大小、重量、功率、成本：
不同类型的温度传感器，在大小、重量、功率和成本方面的权衡是不一样的。例如，大多数温度传感器（如热电偶和热敏电阻）都是无源器件，这意味着它们会提供电增益，并且自身不消耗功率。因此，在选择低功耗设计时，与集成温度传感器相比，它们可能是一个不错的选择。
无源温度传感器的另一项优势是可以降低成本，因为它不会涉及相对昂贵的半导体元件。不过，如果要对大小和重量进行优化的话，集成温度传感器会是更好的选择，因为它们可以将传感器及其支持电路集成到单个器件、单个封装中。
最终，在对大小、重量、功率和成本进行充分权衡后，就可以确定所需要的具体产品。
动态范围：
传感器的动态范围衡量的是传感器能够获得的最大和最小信号之间的比率。对于温度传感器而言，动态范围定义的是给定传感器可以测量的冷热程度。这通常是传感器的一项限制因素，因为一款合适的温度传感器应当能够测量被测设备的整个温度范围。
对于板载温度传感器而言，确保传感器的动态范围与PCB预期的最大工作温度一致是非常重要的。这样一来，即使温度达到PCB工作温度范围的极值，传感器也依然能够准确地工作。
噪声和偏差：
根据所使用的温度传感器的类型，噪声可能会是系统设计中的主要考虑因素之一。
许多温度传感器产生的是模拟输出，这种情况下，高灵敏度温度传感器的输出很容易和系统级的噪声混杂在一起，其程度取决于系统中使用的电压和电流级别。这些噪声源可能包括来自电感、大电流或快速开关负载的电磁干扰 (EMI)，以及调节不良的电源电压轨。
此时，就需要通过PCB上精心布置的传感器和走线以及硬件级过滤来处理噪声问题，在适用的情况下还可采用软件级过滤。
灵敏度：
温度传感器的灵敏度是一种规格，表明器件检测温度微小变化的难易程度，或者从另一种角度来看的话，就是在输入（即温度）发生一定量的变化时，可测量输出的变化百分比。
例如，热敏电阻每升高一度，其电阻值就会有几十欧姆的变化，这种高粒度级别使之具有很高的灵敏度；而RTD的电阻值随温度变化的幅度可能要小得多。因此，根据灵敏度选择合适的温度传感器，将决定读数的准确度和粒度。然而，更高的传感器灵敏度，往往会以牺牲其线性度为代价。
线性度：
线性度衡量的是器件在响应输入变化时，其输出变化的一致性程度。理想温度传感器是完全线性的，当温度发生一定量的变化时，传感器在整个测量范围内的输出变化都是相同的。传感器的线性度直接关系到解释器件输出所需固件的复杂程度。
不同温度传感器的线性度差别很大，热电偶等传感器被认为是高度非线性的，而RTD被认为是相当线性的。在使用非线性传感器时，工程师通常会借助查找表 (LUT) 将传感器的输出转换为温度；而在使用线性传感器时，就可以通过基本线性方程解出给定器件输出的温度。后者有助于让系统更稳固，并且减少固件上的开销。
校准：
在器件的制造过程中，许多不可控因素可能会导致其响应与预期不同。此时，就必须对温度传感器进行校准，使其在整个温度范围内的行为恢复确定性和可靠性。例如，某些器件由于具有高度非线性的特性，因而更可能需要校准。
这一校准可以在系统层面上进行，也就是在软件和周围电路中加入偏差，以便对器件自身的非理想性和偏移加以处理；或者也可以在传感器层面上进行。通常，器件会在出厂前就进行校准。
安装：
温度传感器的安装方式会对器件的性能产生重大影响。显然，温度传感器需要靠近，甚至往往需要接触到它们所传感的热质量。这就需要将传感器安装在电路板上所需元件的附近。
此外，表面贴装元件由于会受到附近元件和电路板本身的热影响，因而不太适合用来传感环境或区域温度。因此，在尝试使用表面贴装元件测量环境温度时，需要采用特殊的布局技术。
如果无法做到这一点的话，板外元件会是更好的选择，它能够直接测量加热元件等元件的温度，或者环境温度。
接口：
选择温度传感器的最后一项考虑因素，是如何实现与该传感器之间的接口，以及该接口将给系统或固件设计带来的复杂程度。
对于热电偶和热敏电阻等无源温度传感器，通常通过产生模拟电压来实现温度传感。此时，要实现与传感器之间的接口，就需要支持电路，如电阻分压器网络、差分放大器、噪声滤波器和/或模数转换。
而许多集成或数字温度传感器都可以通过I2C、SPI等传统通信协议来进行数值通信。
结语
温度传感器可用作监测和控制PCB和电气系统中热量的有用工具。板载传感器具有节省空间和成本并且性能更高的特点，因而是一种非常实用的选择。
不过，这些传感器在精度、物理尺寸、灵敏度和线性度方面仍可能存在很大差异。它们涵盖了从简单、坚固的电阻元件，到存储设定点和温度数据并在随后传输到微控制器的复杂固态设备的各种类型。因此，我们有必要彻底了解各种选项，以便针对特定应用选择最合适的传感器。
作者简介
Ishmael Chigumira是一名首席电气工程师，在设计嵌入式电气/电子系统以及开发控制此类系统的固件方面拥有丰富的经验。Ishmael也是一位主题专家，具有从概念设计到最终生产的产品开发全流程经验。目前，Ishmael在多个领域提供咨询服务，包括但不限于医疗、汽车、家电、可再生能源、工业和消费电子产品。