【導(dǎo)讀】系統(tǒng)散熱問題日漸成為設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中必須考慮的因素。系統(tǒng)過熱會(huì)降低性能，損壞元件或產(chǎn)生安全隱患。為跟蹤并降低系統(tǒng)散熱而引發(fā)的問題，通常需要監(jiān)控兩個(gè)參數(shù)：持續(xù)溫度測(cè)量和過熱警報(bào)。
持續(xù)溫度測(cè)量使處理器可以監(jiān)測(cè)到系統(tǒng)溫度的上升或下降，并根據(jù)測(cè)得的溫度采取彌補(bǔ)措施。例如，由于功率放大器(PA)會(huì)受到系統(tǒng)升溫的影響，因此它可以顯示增益的升高。增益升高導(dǎo)致功率放大器使用更大的功率，產(chǎn)生更多熱量，繼而使用更高的電能，這被稱為熱逸散。例如，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，過大的增益會(huì)導(dǎo)致電池比預(yù)期耗電更快。通過監(jiān)控溫度，處理器可以調(diào)節(jié)放大器的增益，從而確保功率的耗散與設(shè)計(jì)者預(yù)期相符。
在系統(tǒng)運(yùn)行溫度超出設(shè)置的限制時(shí)，處理器會(huì)接收到二進(jìn)制過熱警報(bào)信號(hào)。一個(gè)應(yīng)用范例是當(dāng)系統(tǒng)中溫度即將超出元件的最大運(yùn)行溫度時(shí)。此時(shí)，處理器可以中止向元件供電，避免系統(tǒng)由于過熱而受到損壞。
分立熱敏電阻電路
用于進(jìn)行持續(xù)溫度測(cè)量和過熱警報(bào)指示的傳統(tǒng)分離元件電路在傳感器元件中使用熱敏電阻器(熱敏電阻)，通常采用負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻。隨著溫度的升高，NTC熱敏電阻的電阻值降低(圖1)。
圖 1：采用傳統(tǒng)熱敏電阻的電路
處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于采集溫度模擬電壓(VteMP)。當(dāng)溫度超出臨界值時(shí)，數(shù)字比較器的輸出端會(huì)驅(qū)動(dòng)處理器的輸入端進(jìn)行提示。
電壓分頻器直接衍生模擬溫度信號(hào)，作為熱敏電阻溫度模擬信號(hào)的電壓電平。RBIAS電阻器能夠設(shè)置電路增益，并使熱敏電阻保持在允許的功率內(nèi)工作，從而最大限度地減小溫度導(dǎo)致的電阻誤差。過熱警報(bào)通過將熱敏電阻的輸出端與比較器的輸入端相連接而產(chǎn)生。參考電壓與比較器的另一輸入端相連，以設(shè)置比較器輸出端被激活的電壓值(過熱電平)。通過采用磁滯反饋回路用于避免比較器在VTEMP等于VREF時(shí)來回快速開關(guān)。
但是分立熱敏電阻解決方案會(huì)存在許多設(shè)計(jì)問題。而LM57集成模擬溫度傳感器和溫度開關(guān)能夠解決這些設(shè)計(jì)問題，并提高系統(tǒng)的性能。
集成的LM57電路
LM57不僅集成了分立熱敏電阻電路的功能，還改進(jìn)了其性能。如圖2所示，我們可以看到元件數(shù)量變少了，但功能卻增加了。例如低態(tài)跳脫點(diǎn)輸出和輸入針腳使系統(tǒng)可以在原位置測(cè)試LM57的功能。
▲圖2：LM57集成電路應(yīng)用
處理器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器用于采集溫度模擬電壓(VTEMP)。當(dāng)溫度超出臨界值時(shí)，過熱(TOVER)輸出端會(huì)驅(qū)動(dòng)處理器的輸入端進(jìn)行指示。跳脫點(diǎn)由兩個(gè)無源電阻器(RSENSE1和RSENSE2)設(shè)置，而不是由有效參考端和偏壓電阻器設(shè)置。
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精確度
任何溫度傳感器電路中最重要的測(cè)量參數(shù)之一是總體電路的精確度(或誤差)。在設(shè)計(jì)分立電路解決方案時(shí)，各元件的誤差會(huì)累加得出測(cè)量值的最大總誤差。例如，分立熱敏電阻電路(圖1)中的VTEMP模擬溫度輸出端將同時(shí)受到熱敏電阻和電阻器RBIAS的精確度影響。TOVER數(shù)字警報(bào)的精確度不僅受到VTEMP的精確度影響，還受到比較器、反饋電阻器和磁滯電阻器的固有誤差影響。例如，如果使用此電路控制大型HVAC系統(tǒng)，這些誤差可能引起大型系統(tǒng)在不需要工作時(shí)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生過多的功率。
LM57完全集成(圖3)，所有組成部分的輸入輸出都包含在LM57的校對(duì)流程中，因此不會(huì)產(chǎn)生以上所提到的誤差源。同時(shí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)員不需要累加各組成元件的誤差，從而得出總誤差。LM57能保證VTEMP模擬輸出的最大誤差為±0.7℃，TOVER警報(bào)輸出的最大誤差為±1.5℃。
圖3：LM57集成模擬溫度傳感器和溫度開關(guān)的功能框圖
NTC電路的另一個(gè)誤差源是VTRIP的誤差。最大程度降低這一誤差的一種途徑是使用高精度參考端。但是，比較器的輸入端會(huì)收集到來自參考端的噪聲。比較器的跳脫點(diǎn)會(huì)隨著噪聲產(chǎn)生的信號(hào)電平的變化而不同。LM57采用一種專利技術(shù)從而解決了這個(gè)問題。用戶可以通過選擇兩個(gè)電阻器RSENSE1和RSENSE2的值設(shè)置VTRIP的值。LM57使用數(shù)模轉(zhuǎn)換器確定跳脫電壓范圍。只要感應(yīng)線路中電壓在指定范圍內(nèi)，跳脫溫度就不會(huì)產(chǎn)生變化。這表示LM57感應(yīng)輸入不會(huì)受到輸入端適量噪聲的影響。這還意味著只要電阻器的容差在1%或更低，各電阻器的跳脫點(diǎn)就不會(huì)變化。
線性度和轉(zhuǎn)換噪聲
在傳感器測(cè)量中獲得最大的精確度需要注意量化噪聲誤差，這是由模擬信號(hào)向二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的誤差。模擬信號(hào)經(jīng)過數(shù)字化，得出的是一個(gè)接近實(shí)際測(cè)得模擬值的數(shù)字值。數(shù)字測(cè)量的最小增量(LSB)是將模數(shù)轉(zhuǎn)換器參考電壓除以模數(shù)轉(zhuǎn)換器的可數(shù)代碼數(shù)得出的電壓。例如，使用2.56V參考電壓的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的LSB值為2.56V ÷ 28 = 10mV。測(cè)得的模擬值和數(shù)字值之間的任何差值將稱為轉(zhuǎn)換中的誤差，這被稱為轉(zhuǎn)換噪聲或轉(zhuǎn)換誤差。例如，如果嘗試采集1.384V信號(hào)，此信號(hào)經(jīng)數(shù)字化獲得接近10mV的值，假設(shè)達(dá)到1.380V，則采樣值具有4mV的轉(zhuǎn)換噪聲值。如需了解更詳盡的轉(zhuǎn)換噪聲討論，請(qǐng)參見National.com網(wǎng)站上的《淺談模數(shù)轉(zhuǎn)換器》(The ABCs of ADCs)一文。
那么，此噪聲在溫度誤差中意味著什么?答案取決于傳感器輸出的增益。傳感器的增益幅度越大，就越少受到噪聲的影響——傳感器增益越高，量化噪聲產(chǎn)生的誤差越小。如圖4所示，可以看到在跳脫溫度設(shè)為100℃時(shí)，LM57的VTEMP模擬輸出與-10.4mV/℃典型增益值呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系(實(shí)際上，LM57具有4種可能的增益，這取決于選擇的跳脫點(diǎn)值，但是本例中我們選擇100℃)。這表示每毫伏噪聲對(duì)溫度的影響為0.097℃/mV。同樣在100℃的溫度下，熱敏電阻輸出端的1mV噪聲將產(chǎn)生1.7℃的誤差(本模擬試驗(yàn)中使用NCP15XH103熱敏電阻和6.2kΩ偏壓電阻器)。
圖4：LM57和NTC熱敏電阻(Murata NCP15XH103F)的噪聲靈敏度比較
工作溫度范圍
較熱敏電阻而言，LM57優(yōu)點(diǎn)是具有更寬的可用工作溫度范圍。如圖4所示，LM57可在-50℃至150℃的溫度范圍中工作。此熱敏電阻的額定溫度范圍是-40℃至125℃，但其可用范圍接近-20℃至100℃。由于在此范圍內(nèi)具有線性輸出值，因此無需優(yōu)化電路實(shí)現(xiàn)更窄、更高的溫度范圍;LM57在140℃下具有卓越的精確度和噪聲容差。
設(shè)計(jì)時(shí)間和板空間
在如今更短的產(chǎn)品開發(fā)周期中，集成的LM57可以通過縮短設(shè)計(jì)時(shí)間從而提高價(jià)值。LM57只需要使用簡易的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法即可集成在電路中，并與處理器相連。無需元件匹配、考慮序列誤差等。
由于采取單一封裝，體積小，從而節(jié)省了板空間和生產(chǎn)成本，并提高了質(zhì)量。如果在分立解決方案中結(jié)合多個(gè)元件將占用更大板空間，因?yàn)楦髟g需要保持最小間距。設(shè)計(jì)每增加一個(gè)新元件，在電路中放置該元件的成本就累加到產(chǎn)品成本中。每個(gè)附加元件都需要增加一個(gè)設(shè)備和兩個(gè)或更多連線，因此在設(shè)計(jì)中需要考慮更多的問題。
本文小結(jié)
集成的LM57模擬溫度傳感器和溫度開關(guān)不僅結(jié)合了傳統(tǒng)溫度傳感器和比較器電路的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)比分立解決方案具備更多的功能和更好的性能。如需改進(jìn)系統(tǒng)性能并縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，LM57是最佳選擇。
