工程师温度传感指南—温度传感器设计挑战和解决方案, 从热敏电阻到多通道远程传感器IC②

模拟技术   作者:TI(德州仪器) 时间:2020-01-29来源:电子产品世界

目录

前沿:编者的消息(√)

第 1 章:温度传感基本原理

第 2 章:系统温度监测

第 2.1 节: 如何监测电路板温度

第 2.2 节: 高性能处理器模温监测


第 3 章:环境温度监测(√)

第 3.1 节: 精确测量环境温度的布局注意事项

第 3.2 节: 通过可扩展的温度传感器实现高效的冷链管理

第 4 章:体温监测 可穿戴式温度传感的设计挑战


第 5 章:流体温度监测 使用数字温度传感器在热量计中替代 RTD

第 6 章:阈值检测 如何避免控制系统遭受热损坏

第 7 章:温度补偿和校准

第 7.1 节: 使用高精度温度传感器进行温度补偿

第 7.2 节: 校准热监测系统的方法


编者的话

在个人电子产品、工业或医疗应用的设计中,工程师必须应对同样的挑战,即如何提升性能、增加功能并缩小尺寸。除了这些考虑因素外,他们还必须仔细监测温度以确保安全并保护系统和消费者免受伤害。

众多行业的另一个共同趋势是需要处理来自更多传感器的更多数据,进一步说明了温度测量的重要性:不仅要测量系统或环境条件,还要补偿其他温度敏感元件,从而确 保传感器和系统的精度。另外一个好处在于,有了精确的温度监测,无需再对系统进行过度设计来补偿不准确的 温度测量,从而可以提高系统性能并降低成本。

温度设计挑战分为三类:

• 温度监测:温度传感器提供有价值的数据来持续跟踪温度条件,并为控制系统提供反馈。此监测可以是系统温度监测或环境温度监测。在一些应用中,我们可以看到设计挑战的特点是需要在控制回路中同时实现这两种监测。这些监测包括系统温度监测、环境温度监测以及身体或流体温度监测。

• 温度保护:在多种应用中,一旦系统超过或低于功能温度阈值,便需要采取措施。温度传感器在检测到事先定义的条件时提供输出警报以防止系统损坏。在不影响系统可靠性的情况下提升处理器吞吐量是可行的。系统经常过早启动安全热关断,结果造成高达 5°C 甚至 10°C 的性能损失。当系统超过或低于功能温度阈值时,工程师可以自主启动实时保护措施。

• 温度补偿:温度传感器可以在正常工作期间随温度变化最大限度提高系统性能。监测和校正其他关键组件在发热和冷却时的温漂可降低系统故障的风险。

本电子书将提供一些 TI 应用简介,由此说明使用不同温度传感技术的各种应用的设计注意事项。书中的章节首先介绍主要的温度挑战,然后重点说明各种应用的设计注意事项,评估温度精度和应用尺寸之间的权衡,同时讨论传感器放置方法。


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在许多应用中,环境空气温度监测对于控制环境条件或确保安全操作条件至关重要。准确快速地测量环境温度 通常面临挑战,因为传感器可能不会完全暴露于外部环境并可能受到系统中其他组件的自发热影响。TI 的高精度、低功耗单通道和多通道温度传感器采用紧凑型封装, 可实现更快的热响应。

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简介

使用表面贴装器件来测量环境温度可能具有挑战性,因为来自其他高耗电电子元件的热传递会影响传感器的温度读数。

要精确测量环境温度,必须采用良好的布局方法,例如了解主要的导热路径、隔离传感器封装以及将器件放置在远离干扰热源的位置。图 1 显示了一种使用这些方法的简单恒温器设计。

在图 1 中,系统自发热产生的被动气流在温度传感器 A 上方吸入外部空气。传感器放置在远离主要热源(中央处理单元)的进气口处,并经过隔热以确保更精确的测量。

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热辐射和 PCB 布局

必须首先了解哪些组件辐射最多的热量以避免在热源附近布线。图 2 是使用 Mentor Graphics 的 FloTHERM 热分析工具捕获的热感图像,其中显示了热源附近空气中的温度分布。

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如果将组件放置在外壳内,则热量分布可能更加集中。请记住应将温度传感器远离热源放置,从而避免在露天场景中和外壳内出现错误的温度读数。 表 1 列出了各种热源温度下传感器和热源之间的建议距离。

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如果传感器靠近热源,最好创建一个隔离岛,并最大限度增加传感器与热源之间的气隙。气隙越大,环境温度测量结果越好。然而,当传感器离得更远时,间隙不能提供额外的屏蔽。但是,间隙可以改善传感器的热响应时间。

图 3 显示切口为 0.8mm 宽时的温度读数大约为 38.5°C,而图 4 显示切口为 1.8mm 宽时的温度读数大约为 35.5°C。这些图像显示了较大的隔离间隙如何影响环境温度读数。

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在设计温度传感器的 PCB 时,采用良好的布局方法非常重要。图 5 显示了具有隔离岛的 PCB 布局以及轮廓布线,而图 6 显示了一种替代设计,其中在安装温度传感器 的区域周围有穿孔。

在这两块小型电路板上,尺寸极小,只能部署传感器和旁路电容器;隔离岛的热质量越小,热响应就越好。这些设 计极大地减少了来自其他组件的热传递量。

温差

在需要更高测量精度的应用中,请考虑使用温差设计。这种类型的设计在高温组件旁边增加了额外的传感器(如 图 1 所示),并测量传感器 A 和 B 之间的温差。

然而,这种设计需要关于 ΔT 与环境温度之间相关性的模型,且该模型将根据系统应用而变化。温差设计会考虑自发热的影响,从而提供更准确的算法来估算环境温度。

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器件建议

TMP112 和 TMP116 是专为诸如环境监测和恒温控制之类的高精度、低功耗应用而设计的数字温度传感器。TMP112 在 0°C 至 65°C 范围内的精度为 ±0.5°C,而 TMP116 在 -10°C 至 85°C 范围内的精度为 ±0.2°C。

这两款温度传感器都具有高线性度,无需校准,并具有可 编程警报功能。TMP112 采用紧凑的 1.60mm x 1.20mm 小外形晶体管 (SOT)-563 封装,而 TMP116 采用 2mm x 2mm 超薄小外形无引线 (WSON) 封装。

为确保最佳性能和器件使用寿命,表 2 列出了额外的布局建议。

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关键词: 温度传感器 概述

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