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IC③
对于某些应用,不需要连续温度采集,但系统保持高于或低于温度阈值至关重要。TI 的温度开关和数字温度传感器可实现简单的自主温度监测,从而通过迟滞功能检测温度是否超过极限。这些器件允许通过外部电阻器(可通过引脚编程、工厂编程或通过 I2C 进行设置)选择阈值跳闸点。
如何避免控制系统遭受热损坏
简介
在控制系统中,工作温度是影响系统性能、可靠性和安全性的众多关键因素之一。了解温度对控制系统的影响可以帮助系统设计人员预测和防止热损坏。
通常,控制系统的行为很好理解,并且它们在有限的温度范围内工作。在该温度范围之外工作时,控制系统可能出现效率降低、热耗散增加和加速老化的情况。这些影响加在一起可能导致代价高昂的故障。
热保护解决方案
有许多预防性解决方案可用于保护控制系统免受热损坏。这些解决方案可以是分立的,也可以是集成的,通常由温度传感器、比较器和电压基准组成(请参阅图 1)。
外部温度开关电路提供实时热保护,而不会中断控制处理系统。图 2 显示了温度开关跳闸行为示例,其中跳闸点设置为 60°C,迟滞为 10°C。
有些情况需要热保护和监测功能,因此需要模数转换器( 请参阅图 3)。具体实施情况取决于应用要求,如特性、成 本、封装尺寸、功率和精度。
需要考虑的一些特性包括迟滞、精度、跳闸点可编程性、 跳闸测试、资质认证(如汽车和美国保险商实验室 [UL]) 、输出类型、通道数和电源电压范围。
迟滞和精度都有助于提高控制系统的整体可靠性。传感器通常具有以摄氏度表示的测量误差。这些测量误差需要以最合适的测量形式进行补偿。在启动关断程序之前减小此类偏移误差可以提高系统可靠性。不纠正此类误差可能导致过热错误。
例如,如果系统需要在 60°C 的温度下切断,最好能精确测量温度以确保系统断电。迟滞使系统有时间趋稳并防止控制系统频繁经历电源循环。如图 2 的示例所示,10°C 迟滞可在 50°C 至 60°C 范围内优化系统性能。
使用基于负温度系数 (NTC) 的热敏电阻时,需要在软件中线性化热敏电阻,以优化温度范围内的系统误差。线性化通常是通过多项式拟合或查找表来执行的。这些方法不仅会增加整体系统成本,还会影响功耗。使用基于正温度系数 (PTC) 的线性硅基热敏电阻可以消除软件必要性和功率损失问题。
分立式解决方案
使用 NTC 热敏电阻进行温度开关的分立式实施很常见。 此外,热敏电阻解决方案通常被认为是低成本的解决方案。然而,考虑到热保护的苛刻要求(如保证性能),分立式解决方案通常极具挑战性且成本高昂。设计分立式热保护解决方案时的一些主要挑战包括精度、可靠性和效率。
由于 NTC 热敏电阻具有非线性特征,因此如果不使用会增加系统成本的精密组件,则难以在高温或低温下维持高精度跳闸点。校准在基于硬件的开关应用中不实用。此外,分立式实施方式需要多个组件协同工作,因此可能降低系统可靠性。
最后,NTC 分立式解决方案会在高温条件下消耗大量功率,因为 NTC 电阻在高温条件下将显著降低。
集成电路解决方案:温度开关/恒温器
集成温度开关通常在单个芯片上集成了温度传感器、比较器和电压基准。这种集成性可以降低设计复杂性,并实现实时热保护,而不会经常中断控制处理系统。
以下是这些传感器的主要优点。
• 它们可以自动为控制单元启用热保护,无需连续监测。
• 不依赖于软件;用于实现保护的温度监测固件替代为向控制系统发出的简单警报。
• 迟滞功能保证了跳闸点的温度精度。
• 简单且经济高效的过温/欠温检测取代了保护电路。
• 可以通过电阻器或引脚编程的方式设置温度阈值。在某些情况下,温度开关可以在工厂执行预设。
• 需要模拟输出的应用可以利用温度开关来提供除警报之外的模拟输出。
集成传感器可降低解决方案成本,在安全应用中实现冗余。
器件建议
TMP303 集成式温度开关采用窗口比较器,可通过超小尺寸(小外形晶体管 [SOT]-563)、低功耗(最大 5µA)和低电源电压(低至 1.4V)特性提供设计灵活性。此器件运行时无需额外组件,并可以独立于微处理器或微控制器工作。通过不同的器件选项可获得七个跳闸点,这些均可 在出厂时编程为任何所需温度。
如图 4 所示的 TMP390 是一个可通过电阻器进行编 程并具有两个内部比较器和两个输出的双输出温度开关。TMP390 具有超低功耗(最大 1μA)低电源电压 (1.62V) 特性。高温跳闸点和低温跳闸点均可配置为任何所需的温度窗口,使迟滞选项介于 5°C 和 30°C 之间,只 需两个电阻器即可实现。单独的高低温跳闸输出会产生 独立的警告信号供微处理器解释。
表 1 列出了用于分离式或集成式温度阈值检测应用的备选器件。
有关温度保护的更多信息,请参阅表 2 中的其他资源。
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