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適合工業應用的遠距溫度感測器

本文作者:Dan Harmon       點擊: 2015-05-24 09:34
前言:
遠端溫度感測器涵蓋其他晶片感測器的所有優點,包括線性反應、不需校準、低功率等,因此適合工業應用。
 
若要認識遠端溫度感測器的概念,以及與本地溫度感測器的差異,應先回顧溫度感測器的基本原理,其中包括矽晶PN接點受溫度影響的基礎行為。
 
各位若在不同區域設有兩個PN接點,並有電流通過,將產生兩項不同的正向電壓位準,在定電流情況下,電壓會隨PN接點溫度升降,兩項電壓的差異高低則與絕對溫度成正比:
 

 
瞭解所有溫度感測晶片的基本運作原則後,接下來說明遠端溫度感測器與本地溫度感測器的差異,本地溫度感測器的PN接點通常與封裝接地針腳溫度相連,依據熱平衡原理,PN接點溫度應與印刷電路板接地針腳連結處相同。
 
此檔案內含所需的高解析度圖檔與簡圖,遠端溫度感測器與本地溫度感測器相同,都會偵測本地溫度,同時感測系統內其他位置的二極體或電晶體,這些遠端元件大多裝置於另一晶片內,如處理器、ASIC、FPGA等,本案例的「遠端二極體」為PNP電晶體,收集器連結至裝置的基板。
 
本PNP存在於多數CMOS製程中,故可用於任何容易過熱的複雜、高功率線路中,若要以符合成本效益的方式,監控系統內多個溫度點,可在每個遠端位置使用標準電晶體(如2N3904或2N3906)。
 
此外,遠端溫度感測器在類比數位轉換器(ADC)輸入端上,整合ADC與類比多工器,才能在不同溫度來源之間切換,因此可透過I2C或序列周邊介面等標準序列介面,直接介接至控制器,同時卸載過熱警示等部分功能至溫度感測器,以達到熱管理需求。
 
遠端接點溫度電晶體
遠端溫度感測器經過校準後,能與特定類型的電晶體相連,製程幾何及其他製程變數造就遠端電晶體/二極體的特質各異,故遠端溫度感測器在計算遠端溫度時,必須考量這些變數;若使用不同連結方式,則必須增加「非理想性因子」,以補償不同類型的電晶體:

 
其中:
TCF = 溫度校正因子
TCR = 溫度中心範圍
ηTS = 遠端溫度感測非理想性規格
ηProcess = 遠端電晶體/二極體非理想性規格
 
德州儀器TMP451等新式遠端溫度感測器具備多項非理想性因子選項,可用於各種分離式電晶體,或是製程節點的ASIC內建溫度二極體。
 
遠端溫度感測器的訊號調整功能中,另一項常見項目為序列電阻取消,序列電阻為應用線路,通常源於PCB走線電阻,只要設置遠端溫度感測器,即可自動取消這條線路,避免造成溫度偏置。一般裝置最高可取消1 kΩ的序列線路電阻,並免除溫度偏置校正。
 
處理器、ASIC、FPGA的製程幾何一旦達到90 nm以下,遠端感測二極體/電晶體的特質也將改變,早期遠端溫度感測器以控制射極電流方式運作,幾何縮小之後,電晶體的物理狀態也隨之改變,VBE成為射極電流收集器,若電晶體的BETA特質獨立於收集器電流之外,控制射極電流的準確性便已足夠。
 
不過新式小型幾何電晶體的BETA特質取決於控制器電流,德儀TMP435等新式遠端溫度感測器內,均具備自動BETA補償功能,用以控制收集器電流,而非射極電流,TMP435依據外部電晶體的BETA因子,自動偵測與選擇正確範圍。
 
遠端溫度接點或電熱調節器?
電熱調節器為最常用的溫度量測裝置,基本上為電阻元件,電阻增減與裝置溫度升降成正比,由於電熱調節器體積相對較小,故配置點可相當接近監控溫度的物件。
 
在某些應用中,地方溫度感測器可能因此受限,以遠端電晶體取代電熱調節器,體積也能與電熱調節器相近;另一方面,使用溫度感測晶片的優點眾多,例如降低整體用電量、無雜訊資料傳輸、簡化建置與訊號處理。
 

上圖為溫度感測器線性反應與電熱調節器非線性反應
 
由於矽晶溫度感測器的線性反應優於電熱調節器,故可達到簡化效果(見圖),不需額外處理即可計算實際溫度。
 
總結
許多工業應用得在系統內多處監控溫度,無論是為確保系統穩定性,或是以閉路控制部分系統,若能準確監控溫度,均可提高系統表現。
 
本檔案內含所需的高解析度圖檔與簡圖,遠距溫度感測器具備其他晶片溫度感測器的所有優點,包括線性反應、不需校準、低功率等,可以監控多點溫度,但不需多條訊號處理路徑,而系統配置內若不適合使用大量本地溫度感測晶片,亦可改用感測器搭配不同的遠距二極體或電晶體。
 

 

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