为系统测量和保护选择温度传感器

摘要：对于那些想要测量系统中温度的设计师来说，有多种技术可供选用。热敏电阻、热电偶、RTD及温度传感器IC，它们在特定情况下都具有相应的优势及劣势。本文对当前几种最常用的温度传感器技术进行比较，并讨论其在监视PCB、环境空气及高功率电路(如CPU、FPGA等)等常见目标上的适用性。

温度传感技术

传感器通常用来在电子系统中监视温度，并提供保护，以免产生过度的温度偏移。下面我们列出几种在电子系统中最常用的温度传感器技术。

热电偶由两根不同的金属线连在一起形成，金属线之间的连接点产生一个与温度近似成比例的电压。其特点包括：宽温度范围(高达1250°C)、低成本、极低输出电压(对于K型，可低至40µV/°C量级)、适当的线性及中等复杂的信号调理(冷端补偿及放大)。有几种不同的热电偶类型，分别用字母来表示。最常见的是K型。由Maxim制造的IC (MAX6674及MAX6675)具有调整K型热电偶信号的功能，从而可简化设计，并极大地减少信号放大、冷端补偿、输出量化所需的器件数量。热电偶可采用带有裸露引线的探针形式。

RTD实际上是一种阻值随温度变化的电阻(通常用铂金线制成)。其特点包括：宽温度范围(可高达750°C)、出色的精度及可重复性、适度的线性、以及需要进行信号调理等。RTD信号调理电路通常由精密电流源及高分辨率ADC组成，因此成本可能较高。RTD可采用探针形式及表面贴装封装，并带裸露引线。

热敏电阻实际上是一种温度效应电阻，通常由电导型材料烧结而成。最常见的热敏电阻为负温度系数(NTC)电阻。其特点包括：适当的温度范围(可达150°C)、中低成本(取决于精度)、较差但可预知的线性度以及需要进行适度的信号调理等。热敏电阻可采用探针形式以及带裸露引线的表面贴装封装，或其他类型的特殊封装。由Maxim提供的IC可将热敏电阻阻值转换成数字形式。

IC温度传感器实际上是一种带模拟或数字输出并完全基于硅的温度传感电路。其特点包括：适当的温度范围(大约150°C)、低成本、出色的线性以及很多附加功能例如信号调理、比较器及数字接口等。具有多种数字输出方式，包括3线与4线(如SPI™)、2线(如I²C及SMBus™)及单线(如1-Wire®、PWM、频率及周期等)等多种类型。请注意，信号调理、模数转换及恒温器等功能全都会增加其他类型温度传感技术的成本，但温度传感器IC却通常已经包含有这些功能。IC温度传感器主要采用表贴封装。

为系统测量选择合适的温度传感器

选择正确的传感器技术，须先从了解待测量温度的目标的特点及要求开始。以下列出一些常见的温度测量目标，并将其汇总于表1中。

PCB
表面贴装传感器最适用于PCB温度测量。RTD、热敏电阻及IC传感器等均可采用表面贴装封装，且其温度范围与待测PCB的温度相兼容。RTD相当精确且提供高可重复性测量，但与热敏电阻及IC相比，其价格较高。热敏电阻的线性很差，但其非线性可以预测。如果只在一个较窄的温度范围内使用时，通常只需用一至两个外接电阻即可将其很好地线性化。如果精度不重要，则热敏电阻可相当便宜；但精密热敏电阻却比较贵。如果采用线性化计算或查找表格，则将显著地增加系统成本及复杂性。IC通常拥有出色的线性和附加功能，例如数字接口或恒温器等功能。在测量PCB温度时，这些特性通常使其在系统成本、设计复杂性及性能等方面优于其他类型的传感器技术。

精确地测量PCB温度的一个关键因素是须将传感器定位在正确的位置上。通常需要测量特定器件或器件组的温度，以保证温度不超出安全工作范围，或者对由温度引起的器件性能变化进行补偿。当传感器位置成为关键因素时，选用小封装传感器比较有利，如SOT23，无需改变PCB布局即很容易将其安装在合适的位置上。当需要将传感器安装在电噪声很强或远离其他温度相关电路的位置上时，数字输出很有用。

表1. 用于系统温度监视的最佳传感器类型