工程师温度传感指南 | 了解设计挑战，掌握解决方案！_专栏

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。

三大温度设计挑战

• 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。

温度传感基本原理

在嵌入式系统中，总是需要更高的性能、更多的功能和更小的外形尺寸。鉴于这种需求，设计人员必须监测整体温度以确保安全并保护系统。在应用中集成更多传感器进一步推动了对温度测量的需求，不仅要测量系统条件或环境条件，还要补偿温度敏感元件并保持整体系统精度。

实现高效温度监测和保护的注意事项包括：

• 精度: 传感器精度表示温度与真实值的接近程度。在确定精度时，必须考虑所有因素，包括采集电路以及整个工作温度范围内的线性度。

• 尺寸: 传感器的尺寸会对设计产生影响，而分析整个电路有助于实现更优化的设计。传感器尺寸还决定了热响应时间，这对于体温监测等应用非常重要。

• 传感器放置: 传感器的封装和放置会影响响应时间和传导路径；这两个因素都对高效温度设计至关重要。工业中常见的温度传感器技术包括集成电路 (IC) 传感器、热敏电阻、RTD 和热电偶。表 1 比较了在为设计挑战评选适合的技术时参考的主要特性。

表 1. 比较温度传感技术

系统温度监测

对于许多系统设计，有必要监测高功率组件（处理器、现场可编程门阵列、场效应晶体管）以确保系统和用户安全。温度读数的精确性非常重要，因为它使设计人员能够在提高性能的同时保持在安全限制内，或者通过避免在其他地方过度设计来降低系统成本。德州仪器 (TI) 的紧凑型高精度温度传感器产品系列可以更靠近这些关键组件放置，实现最精确的测量。

电路中的温度问题会影响系统性能并损坏昂贵组件。通过测量印刷电路板 (PCB) 中存在热点或高耗电集成电路(IC) 的区域的温度，有助于识别热问题，进而及时采取预防或纠正措施。

您可能希望监测高耗电 IC（例如中央处理单元、专用 IC、现场可编程门阵列或数字信号处理器）的管芯温度以动态调整其性能，或者可能希望监测功率级周围的热区，以便控制系统中的风扇速度或启动安全系统关闭程序。最终目标是优化性能并保护昂贵的设备。图 1 显示了高性能计算机主板上的温度监测系统。

图 1.复合型 PCB 板上的温度监测

诸如中央处理单元 (CPU)、图形处理单元 (GPU)、专用集成电路 (ASIC) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 之类的高性能处理器中的电源管理通常很复杂。通过温度监测，这些系统不仅可以启动安全系统关闭程序，还可以利用温度数据来动态调整性能。

监测过程温度可以提高系统可靠性并最大限度提升性能。如图 2 所示，高性能处理器通常使用散热器吸收管芯中的过多热量。较高的温度可能会激活散热风扇，修改系统时钟，或者在处理器超过其温度阈值时快速关闭系统。

图 2.搭载高性能处理器的主板通常需要散热器

环境温度监测

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。

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 3 显示了一种使用这些方法的简单恒温器设计。在图 3 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。

图 3.温度传感器恒温器设计热辐射和印刷电路板 (PCB) 布局

体温监测

了解患者的体温是任何临床诊断的关键第一步，也是运动员的重要关注点。除了要求超高精度外，行业正朝着紧凑型可穿戴设备的方向发展，以提供持续的温度监测。精度高达 0.1°C 的温度传感器不仅符合美国材料与试验协会 (ASTM) E1112 对医用温度计的要求，而且还经过优化，可使电池供电的可穿戴设备保持紧凑和舒适。

在临床环境中监测患者生命体征通常是需要经过严格校准的昂贵系统所执行的工作，需要将患者束缚在临床监护仪旁边。无线患者监测系统可提供患者舒适性和临床便利性，只要仍然符合严格的医疗标准即可。

在设计可穿戴式温度监测仪时，需要在功耗、尺寸、系统性能（射频 [RF] 和精度方面）和患者舒适度之间进行许多权衡。例如，更轻薄、更柔软的电池提供更大的舒适性，但可能需要更精心的电源管理。

更小、更低成本的设计需要在隔热和射频性能方面做出牺牲。用于长期监测的解决方案必须充分利用电路板面积来提高精度和信号完整性，同时尽可能降低电流消耗。系统设计人员必须平衡这些要求以及患者的舒适度和体验。

阈值检测

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。

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。

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）和低电源电压(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。

图 4.TMP390 框图

温度补偿和校准

温度漂移必须是纠正任何系统温度变化的一个因素。温度将影响从无源组件（电阻器和电容器）到有源组件（放大器、数据转换器、基准电压源、时钟）的所有组件。光学元件也会受到温度漂移的影响，导致改变强度、光谱偏移、灵敏度和噪声。TI 的高线性度、高精度温度传感器可以提供反馈来纠正精密系统中的温度影响。

现场变送器广泛用于工厂自动化和控制到感应过程参数，如温度、压力和流速。现场变送器中使用的传感器主要是模拟传感器，必须使用模拟前端来精确采样。由于现场变送器的布局方式所引起的工作条件，现场变送器可能要经受宽温度范围，因此需要某种形式的温度补偿。温度补偿系统在传统上使用精确的温度传感器，如铂电阻温度检测器 (RTD)，特别是在需要高精度和长使用寿命的工业应用中。

大多数 RTD 应用使用电流源来激励 RTD 元件并在 RTD上产生电压差，如图 5 所示。该电压与 RTD 的电阻和激励电流成比例。电压电势经过放大，由模数转换器 (ADC)转换为数字输出，然后馈入微控制器 (MCU)，在其中通过查找表将数字输出转换为温度。

图 5.基本 RTD 电路

TMP117 是一款专为低功耗、高精度应用而设计的数字温度传感器。该器件提供 16 位温度结果且分辨率为0.0078°C；经过工厂校准的性能精度在 -25°C 至 +50°C范围内为 ±0.1°C；在 -55°C 至 +150°C 的整个工作温度范围内为 ±0.3°C，这超过了 AA 类 RTD 的精度。

图 6 显示了对 TMP117 进行的油浴实验的结果。该图显示出 TMP117 可以满足 CJC 应用所需的 AA 类 RTD 的精度。

图 6.TI TMP117 与 RTD 精度比较