熱管理設(shè)計中的溫度檢測

　　檢測PCB溫度

　　表貼傳感器非常適合PCB(印制電路板)測溫。RTD(電阻溫度檢測器)、熱敏電阻和IC(集成電路)傳感器都提供表貼封裝，而且溫度范圍適合于PCB的溫度檢測。由于IC傳感器所固有的線性度高、成本低等特性，通常是這類應(yīng)用的最佳選擇。IC傳感器還可提供其它功能，例如：數(shù)字接口或溫度監(jiān)控功能。相對于其他技術(shù)而言，這些功能使其在系統(tǒng)成本、設(shè)計復(fù)雜度和性能方面占據(jù)很大優(yōu)勢。

　　精確測量PCB溫度的關(guān)鍵之一是把傳感器置于正確的位置。多數(shù)情況是關(guān)注某個特定器件或器件組的溫度測量，以確保溫度不超出安全工作范圍，或者是補償由于溫度引起的器件性能的變化。如果傳感器的位置非常敏感，最好使用小尺寸封裝的溫度傳感器，例如TDFN、SC70或SOT23封裝，可以很容易地把傳感器置于合適位置。需要將傳感器置于嘈雜或遠(yuǎn)離其它溫度相關(guān)電路時，最好選擇數(shù)字輸出的溫度傳感器。如果需要監(jiān)測PCB多個位置的溫度，帶有I2C、SMBus或1-Wire接口的本地數(shù)字溫度傳感器不失為最佳選擇，可以將具有不同從地址的器件掛接到同一總線。許多常見的I2C傳感器提供設(shè)置不同從地址的輸入。例如，MAX7500和DS75LX都帶有3個地址輸入。

　　另一種監(jiān)測多個PCB位置的方法是采用帶有分立晶體管溫度檢測的多通道遠(yuǎn)端溫度傳感器。圖1所示提供了一個示例，其中MAX6697監(jiān)測其內(nèi)部溫度，并利用分立晶體管監(jiān)測6路外部溫度，總共可監(jiān)測7個溫度點，而僅需單個I2C從地址。

　　檢測環(huán)境溫度

　　由于傳感器的溫度必須與空氣溫度相同，并且與其它不同溫度的所有部件(PCB、電源、CPU)相隔離，因此，測量環(huán)境溫度比較困難。熱敏電阻、熱電偶和RTD可帶有長引線，如果引線足夠長且足夠細(xì)，即可幫助檢測元件與PCB之間的隔熱。如果檢測元件與PCB具有足夠的隔離，其溫度將為環(huán)境溫度。這三種類型的傳感器中，由于熱敏電阻成本低、信號調(diào)理要求簡單，被廣泛用于通用的環(huán)境溫度檢測。圖2所示為如何利用熱敏電阻、熱電偶或RTD測量環(huán)境溫度的示例。圖中，熱敏電阻與電路板的表面具有很好隔離，長引線有助于提供與電路板的隔熱。

　　由于IC傳感器的最佳導(dǎo)熱通路是與電路板具有相同溫度的引腳，使用表貼封裝的溫度傳感器IC測量環(huán)境溫度將更加困難。如果PCB處于測溫環(huán)境內(nèi)，安裝在PCB上的傳感器即可用來測量環(huán)境溫度。但是，如果PCB上的元件耗散功率過大，溫度將高于環(huán)境溫度，IC測量的溫度是升高后的PCB溫度，而不是環(huán)境溫度。注意，即使采用傳統(tǒng)封裝，例如TO92，IC傳感器的位置在PCB的上方，也會通過引腳傳導(dǎo)熱量，測得的溫度實際等于PCB溫度。圖3所示為板裝TO92封裝的溫度傳感器IC。板裝傳感器能很好地測量PCB溫度，但不適合用于測量環(huán)境溫度。

　　盡管容易受PCB溫度的影響，傳感器IC依然是測量空氣溫度的最佳方案，因為它們不僅僅是傳感器——往往還提供更多其它功能，例如：數(shù)字輸出、可尋址能力或溫度監(jiān)控功能。在使用TO92封裝IC檢測環(huán)境溫度時，請使用雙絞線將傳感器與PCB隔離開。與使用熱敏電阻一樣，如果引線足夠長且足夠細(xì)，可實現(xiàn)足夠的隔熱，從而獲得準(zhǔn)確的環(huán)境溫度讀數(shù)。圖4所示是按照這種方式使用TO92傳感器的示例，采用Maxim的1-Wire接口數(shù)字溫度傳感器。二極管溫度傳感器亦可用來測量環(huán)境溫度。這種情況下，可以把分立晶體管安裝在雙絞線的末端。Maxim的任何遠(yuǎn)端二極管傳感器均可用來測量晶體管溫度。

　　CPU、圖形處理器、FPGA、ASIC、功率器件的溫度檢測

　　如遠(yuǎn)端數(shù)字溫度傳感器部分所述，有些元件，尤其是高性能IC，例如CPU、GPU和FPGA，都有一個雙極型晶體管，用于溫度測量。該晶體管通常采用集電極接地的PNP管?；鶚O和發(fā)射極構(gòu)成“二極管”連接。由于測溫晶體管位于IC管芯，測量精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他技術(shù)，而且導(dǎo)熱時間常數(shù)相當(dāng)小。Maxim的遠(yuǎn)端二極管傳感器專門優(yōu)化用于此類器件的溫度監(jiān)測。注意，不同IC的溫度測量二極管的理想因子和串聯(lián)電阻會有所不同。這些差異的影響在遠(yuǎn)端二極管傳感器應(yīng)用指南部分進行了說明。

有些IC沒有安裝測溫二極管，但集成了熱敏電阻幫助監(jiān)測溫度(參見熱敏電阻部分)。這些熱敏電阻很難使用，具有非常小的溫度系數(shù)且精度差。標(biāo)稱25℃下阻值變化產(chǎn)生的誤差會達到±50℃或甚至更大。所以，在使用之前必須在一個或兩個溫度點對其進行校準(zhǔn)。低溫度系數(shù)使得典型熱敏電阻轉(zhuǎn)換器(例如MAX6698)的分辨率為6℃/LSB左右。圖5所示為MAX6698對一個集成熱敏電阻進行測量時，得到的熱敏電阻通道編碼與溫度的典型關(guān)系曲線。注意，盡管測試結(jié)果有一定參考價值，但分辨率很低。

　　遠(yuǎn)端二極管傳感器的應(yīng)用

　　遠(yuǎn)端傳感器的PCB布局指南

　　使用遠(yuǎn)端溫度傳感器時，遵循以下原則有助于獲得最佳結(jié)果。DXP連接陽極，DXN連接陰極。注意，精度與拾取噪聲總量有關(guān)，不太容易預(yù)測其影響。在交付最終布局時，務(wù)必驗證精度是否滿足要求。

　　1. 遠(yuǎn)端溫度傳感器盡量靠近測溫二極管安裝。在嘈雜環(huán)境下，例如計算機主板，該距離最遠(yuǎn)可達20cm。如果能夠避免較強的噪聲源，可適當(dāng)延長距離。噪聲源包括：CRT、時鐘發(fā)生器、存儲器總線和PCI總線。

　　2. 勿使DXP-DXN引線跨越高速數(shù)據(jù)線或在其附近平行排列，即使經(jīng)過良好濾波，這些信號也很容易引入+30℃的誤差。

　　3. DXP和DXN引線保持平行且彼此靠近。每對平行線應(yīng)該直接連接到一個測溫二極管。請務(wù)必使這些引線遠(yuǎn)離任何高壓走線，例如+12VDC。必須將PCB污物造成的漏電流降至最小，DXP與地之間的20MΩ漏電阻即可造成大約+1℃的誤差。如果不能避開高壓走線，須在DXP-DXN外側(cè)布置接GND的保護線(參見圖6)。

　　4. 盡量避免使用過孔和交叉線，將銅/焊盤的熱電偶效應(yīng)降至最低。

　　5. 使用盡可能寬的走線——一般為5mil至10mil。注意，如果使用長而窄的走線，需要了解引線電阻對溫度的影響。

　　6. 使用嘈雜電源時，增加一個與VCC串聯(lián)的電阻(最大47Ω)。

　　7. 在DXP-DXN輸入跨接一個濾波電容，靠近遠(yuǎn)端傳感器IC放置，電容值請參考傳感器數(shù)據(jù)資料的推薦值。

　　電纜連接測溫二極管 有些情況下，需要將測溫二極管放置在超出常規(guī)電路板跨度的距離以外——例如，用二極管測量大型機柜另一端的溫度。當(dāng)距離不是很遠(yuǎn)，噪聲也相對較低時，可以利用簡單的雙絞線連接，能夠在長達3m或4m的距離內(nèi)保持正常工作。對于更遠(yuǎn)距離(長達30m左右)或噪聲很大，則應(yīng)使用屏蔽電纜連接遠(yuǎn)端傳感器，屏蔽層接地。Belden 8451電纜比較適合此類應(yīng)用。注意，電纜的等效串聯(lián)電阻會影響溫度讀數(shù)，所以最好使用具有電阻抵消功能的溫度傳感器，或者計算引線電阻的影響，并從測試溫度中減去該值。還須注意電纜的電容，它會降低允許在測溫二極管輸入端使用的最大電容。

　　使用分立式測溫二極管 當(dāng)遠(yuǎn)端測溫二極管為一個分立晶體管時，將其集電極和基極連接在一起。NPN和PNP管非常適合這種應(yīng)用。表1列出了能夠配合遠(yuǎn)端溫度傳感器使用的分立式晶體管的例子。必須采用小信號晶體管，具有相對較高的正向偏壓;否則會超出A/D輸入電壓范圍。最大預(yù)期溫度下的正向偏壓在10μA時必須大于0.25V，最低預(yù)期溫度點下的正向偏壓在100μA時必須大于0.95V，必須使用大功率晶體管，確?；鶚O電阻小于100Ω。嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼螂娏髟鲆嬷笜?biāo)(比如50 < β < 150)說明制造商具有良好的過程控制，器件具有一致的VBE特性。

　　分立晶體管制造商通常不規(guī)定或保證理想因子。由于高質(zhì)量的分立晶體管的理想因子通常都在相對較窄的范圍內(nèi)，這一點應(yīng)該不成問題。我們已經(jīng)注意到，采用各種不同的分立晶體管時，遠(yuǎn)端溫度讀數(shù)的波動小于±2℃。盡管如此，最好還是對選定廠家的多款分立式晶體管的溫度讀數(shù)進行一致性驗證。

測溫二極管設(shè)計

　　有些IC廠商，例如：微處理器和FPGA制造商，多年以來已經(jīng)在其產(chǎn)品中集成了測溫二極管，并且掌握了這些器件的設(shè)計技術(shù)。對于初次集成測溫二極管的IC設(shè)計人員，本節(jié)提供了一些有益參考：

　　1.將二極管的內(nèi)阻降至最小。如上文所述，每歐姆串聯(lián)電阻將引起大約+0.45℃的誤差。如果在二極管連接配置中，將晶體管的基極連接至集電極，基極電阻會使β值增高。這種情況下，集電極電阻無關(guān)緊要，除非它造成二極管連接器件在100μA下出現(xiàn)飽和。

　　2.將晶體管的β值降至最小有助于在整個溫度和電流范圍內(nèi)保持集電極電流比(以及精度)。

　　3.二極管的正向偏壓必須在溫度檢測ADC的輸入量程內(nèi)。在整個測溫范圍內(nèi)，正向電流為10μA時，正向偏壓必須大于0.25V;正向電流為100μA，正向偏壓必須小于0.95V。

　　4.大多數(shù)工藝中，沒有隔離的P/N結(jié)。如果連接成二極管的晶體管滿足以下限制條件，則能夠正常工作：

　　A.如果是NPN管，三個端子必須與任何電源隔離開，將基極連接至集電極構(gòu)成一個二極管;

　　B.如果是PNP管，可以將集電極接地，但發(fā)射極和基極必須與所有電源隔離開。

　　5.必須對測試電路進行測量，確定是否工作正常。測量精度非常重要——電壓必須精確到100μV，10μA和100μA偏置電流下需要精確到±0.1%。測溫晶體管能夠與Maxim的所有遠(yuǎn)端溫度傳感器配合工作。

　　6.耦合至測溫結(jié)的噪聲會產(chǎn)生溫度測量誤差，需要仔細(xì)地將測溫器件與噪聲源隔離開，包括數(shù)字信號和嘈雜電源。

　　A.在物理位置上，將測溫器件與承載高速數(shù)字信號的引線隔離開。將數(shù)字信號與測溫晶體管和綁定焊盤之間的金屬線也從物理上隔離開。

　　B.請勿將測溫結(jié)的焊盤靠近高速數(shù)字信號的焊盤，特別是高速緩沖器輸出?？赡艿脑挘瑢y溫結(jié)的綁定焊盤靠近直流輸入焊盤(例如，用于引腳設(shè)置的直流邏輯電平輸入)。

　　C.用n+和p+保護環(huán)將測溫器件包圍起來。

　　7.圖7所示為帶有基底集電極的垂直PNP管的典型結(jié)構(gòu)。10個發(fā)射極連接在一起，每個發(fā)射極占用20μm× 2.5μm空間。