在電源中使用硅基熱敏電阻，來監(jiān)控電源使用的溫度經(jīng)驗

1.前言

最近新項目使用了TMP61硅基的熱敏電阻做設(shè)計

發(fā)現(xiàn)其應(yīng)用和正溫度系數(shù) (PTC) 或負(fù)溫度系數(shù) (NTC) 熱敏電阻基本相同

我將分享一下使用硅基線性熱敏電阻時的一些簡單硬件和軟件方法。

2.常用設(shè)計電路

（1）在硅基線性熱敏電阻兩端產(chǎn)生輸出電壓的一種方法是使用分壓器電路，如圖 1 所示。這會產(chǎn)生正線性壓降響應(yīng)，通常直接路由到模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)。

圖 1：低側(cè)分壓器偏置

偏置電阻值應(yīng)為使用中的硅基線性熱敏電阻器件在 25°C (R25) 時的電阻值。

（2）可以使用精密電流源直接偏置硅基線性熱敏電阻，如圖 2 所示。這種方法不需要偏置電阻器，并提供更大的動態(tài)壓降范圍。

圖 2：精密電流源偏置

請記住，雖然電壓和電流源被設(shè)計為恒定的，但它們在不同的工作條件下確實會略有不同，這可能會影響溫度測量。

（3）使用比率方法可以幫助抵消電源變化的影響，因為 ADC 將讀取與其自身參考電壓成正比的值。如圖 3 所示，使用分壓器電路時，可以連接到 ADC 參考電壓。

圖 3：比例熱敏電阻電路

3. 熱敏電阻溫度轉(zhuǎn)換計算

對于溫度轉(zhuǎn)換，可以直接使用TI 硅基線性熱敏電阻的軟件，使用起來非常簡單。我們使用熱敏電阻設(shè)計工具通過提供電阻與溫度 (RT) 表、多種溫度轉(zhuǎn)換方法和示例代碼，使軟件變得更加簡單。

使用該工具時，只要輸入正確的電路參數(shù)就能獲取得到需要的程序。

也可以使用查找表 (LUT)，將在 Device Resistance Tables 選項卡下找到所有溫度范圍內(nèi)的電阻值，以 1°C 和 5°C 為步長。您可以使用工具中的 Lookup Table 或 Interpolation From Lookup Table 選項卡開始使用 TI 的示例代碼。標(biāo)準(zhǔn) LUT 方法將向上或向下舍入到 LUT 中找到的最接近的值。

公式 1 中的插值方法將計算 LUT 中找到的值之間的溫度，以獲得更高的精度。硅基線性熱敏電阻可以利用插值，因為它們在整個溫度范圍內(nèi)具有非常穩(wěn)定的線性 RT 響應(yīng)。

其中 X 是測得的電阻，Y 是溫度的未知值，X 1和 Y 1是 LUT 中的下限值，X 2和 Y 2是 LUT 中的上限值。

作為 LUT 的替代方案，TI 建議是使用稱為四階多項式回歸的曲線擬合方程（方程 2）。與其他轉(zhuǎn)換方法相比，這個方程（以攝氏度顯示）非常準(zhǔn)確，可以節(jié)省內(nèi)存上的處理時間。

我們可以在熱敏電阻設(shè)計工具的 4 階多項式回歸選項卡中找到設(shè)計的求解系數(shù)。該工具還提供了 Steinhart-Hart 方程（方程 3，以開爾文表示）的示例代碼，這是一種典型的熱敏電阻溫度轉(zhuǎn)換方法：

閾值檢測選項卡顯示了在特定溫度下我們可能希望從 ADC 看到的值，以便進(jìn)行簡單的閾值監(jiān)控。這種方法對于不需要連續(xù)溫度收集的應(yīng)用很有幫助，但對于系統(tǒng)保持高于或低于溫度閾值至關(guān)重要。

此外，平均選項卡解釋了平均溫度樣本如何幫助提高測量分辨率和信噪比。使用先進(jìn)先出序列，如圖 4 所示，我們還可以創(chuàng)建一個運(yùn)行平均值，用于在每次新樣本進(jìn)入陣列時計算溫度。

圖 4：FIFO 操作

計算平均值時，我們將取數(shù)組中所有值的總和除以樣本總數(shù)（公式 4）。

4. 選擇熱敏電阻的經(jīng)驗

（1）成本考慮

熱敏電阻本身是便宜的設(shè)備。因為它們是離散的，所以可以通過使用附加電路來改變它們的電壓降。例如，如果我們使用的是非線性 NTC 熱敏電阻，并且希望在我們的設(shè)備上具有線性壓降，我們可以選擇添加額外的電阻器來幫助實現(xiàn)此特性。但是，另一種可以減少 BOM 和總解決方案成本的替代方法是使用已經(jīng)提供所需電壓降的線性熱敏電阻。好消息是，得益于我們新的線性熱敏電阻系列，我們可以以相似的成本找到兩種熱敏電阻選項，這有助于工程師簡化設(shè)計、降低系統(tǒng)成本并將印刷電路板 (PCB) 布局尺寸減少至少 33%。

（2）電阻容差

熱敏電阻按其在 25°C 時的電阻容差進(jìn)行分類，但這并不能完全說明它們?nèi)绾坞S溫度變化的全部情況。使用器件的電阻與溫度 (RT) 表中提供的最小、典型和最大電阻值來計算您感興趣的特定溫度范圍內(nèi)的容差非常重要，我們可以在設(shè)計工具或數(shù)據(jù)表中找到該表。

為了說明容差如何隨熱敏電阻技術(shù)而變化，讓我們比較 NTC 和我們的TMP61硅基熱敏電阻，它們的額定電阻容差均為 ±1%。圖5 說明，隨著溫度從 25°C 移開，兩種器件的電阻容差都會增加，但在極端溫度下，兩者之間存在很大差異。計算這種差異很重要，這樣我們就可以選擇對您感興趣的溫度范圍保持低容差的設(shè)備。

圖 5：電阻容差：NTC 與 TMP61

（3）校準(zhǔn)點

不知道我們的熱敏電阻在其電阻容差范圍內(nèi)的位置會降低我們的系統(tǒng)性能，因為我們需要更大的誤差范圍。校準(zhǔn)會告訴我們預(yù)期的電阻值，這可以幫助我們大大減少誤差幅度。但是，這是制造過程中的一個附加步驟，因此我們應(yīng)該盡量將校準(zhǔn)保持在最低限度。

我們需要的校準(zhǔn)點數(shù)量取決于我們使用的熱敏電阻類型和應(yīng)用的溫度范圍。對于較窄的溫度范圍，大多數(shù)熱敏電阻只需進(jìn)行一點校準(zhǔn)即可。對于需要寬溫度范圍的應(yīng)用，我們有兩種選擇：1) 使用 NTC 校準(zhǔn) 3 次（這是由于它們在極端溫度下靈敏度低且電阻容差高），或 2 ) 使用硅基線性熱敏電阻校準(zhǔn)一次，這比NTC要穩(wěn)定得多。

（4）靈敏度

當(dāng)試圖從熱敏電阻獲得良好的精度時，每攝氏度的電阻（靈敏度）有很大的變化只是難題的一部分。但是，除非我們通過校準(zhǔn)或選擇具有低電阻容差的熱敏電阻在軟件中獲得正確的電阻值，否則大靈敏度不會很有幫助。

由于 NTC 的電阻值呈指數(shù)下降，因此它們在低溫下具有非常大的靈敏度，但隨著溫度的升高，靈敏度急劇下降。硅基線性熱敏電阻不像 NTC 那樣具有大的靈敏度波動，可以在整個溫度范圍內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)定測量。隨著溫度升高，硅基線性熱敏電阻的靈敏度通常在 60°C 左右超過 NTC。

（5）自熱和傳感器漂移

熱敏電阻以熱量的形式耗散功耗，這會影響其測量精度。散熱量取決于許多參數(shù)，包括材料成分和通過器件的電流。

傳感器漂移是熱敏電阻隨時間漂移的量，通常通過加速壽命測試在數(shù)據(jù)表中指定，以電阻值的百分比變化給出。如果我們的應(yīng)用需要長時間保持一致的靈敏度和精度，需要尋找自熱和傳感器漂移低的熱敏電阻。