温度传感器 IC 简化设计

当您开始选择温度传感器时，您不再局限于模拟输出或数字输出设备。现在有多种传感器类型可供选择，其中一种应该符合您的系统需求。本应用笔记探讨了各种可用的温度传感器IC，以帮助设计人员为特定设计做出最佳选择。

当您开始选择温度传感器时，您不再局限于模拟输出或数字输出设备。现在有多种传感器类型可供选择，其中一种应该符合您的系统需求。

当被问及我靠什么谋生时，我告诉人们我是一名模拟电子工程师。当下一个问题，“'模拟'是什么意思？我经常使用温度传感器来解释这个概念。我告诉他们，我们工程师有时会使用传感器，以电压或电流的形式模拟温度。为了进一步定义模拟世界，我将其与数字领域进行了对比，说电压或电流信号通常转换为1和0，以便计算机可以使用这些信息。有时这种解释就足够了;有时不会。

这种解释所做的是建议温度传感器的基本迁移。直到最近，市场上的所有温度传感器都提供模拟输出。热敏电阻、RTD和热电偶之后是另一种模拟输出器件，即硅温度传感器。遗憾的是，在大多数应用中，这些模拟输出器件的输出端需要比较器、ADC或放大器才能发挥作用。

因此，当更高集成度变得可行时，可以使用带有数字接口的温度传感器。这些IC以多种形式出售，从在超过特定温度时发出信号的简单设备到报告远程和本地温度，同时在编程温度设置下提供警告的设备。现在的选择不仅仅是在模拟输出和数字输出传感器之间;有多种传感器类型可供选择。

温度传感器的类别

四种温度传感器类型如图1所示。理想的模拟传感器提供的输出电压是温度 （A） 的完美线性函数。在传感器（B）的数字I/O类中，温度数据以多个1和0的形式传递到微控制器，通常通过串行总线。沿着同一总线，数据从微控制器发送到温度传感器，通常用于设置报警引脚数字输出跳闸的温度限值。警报在超过温度限制时中断微控制器。这种类型的设备还可以提供风扇控制。

图1.传感器和IC制造商目前提供四类温度传感器。

“模拟加”传感器 （C） 提供各种类型的数字输出。五世外与温度曲线适用于数字输出在超过特定温度时切换的IC。在这种情况下，添加到模拟温度传感器的“加号”只不过是一个比较器和一个基准电压源。其他类型的“加号”部件以部件选通后的延迟时间的形式运送温度数据，或者以频率或方波周期的形式发送温度数据，这将在后面讨论。

系统监视器（D）是四个IC中最复杂的IC。除了数字I/O类型提供的功能外，这种类型的设备通常监控系统电源电压，当电压上升或低于通过I/O总线设置的限值时提供警报。这种类型的IC有时包括风扇监控和/或控制。在某些情况下，此类设备用于确定风扇是否正常工作。更复杂的版本将风扇控制为一个或多个测量温度的函数。这里不讨论系统监视器传感器，但简要提及，以全面了解可用的温度传感器类型。

模拟输出温度传感器

热敏电阻和硅温度传感器是广泛使用的模拟输出温度传感器形式。图2清楚地表明，当需要电压和温度之间的线性关系时，硅温度传感器是比热敏电阻更好的选择。然而，在较窄的温度范围内，热敏电阻可以提供合理的线性度和良好的灵敏度。许多最初用热敏电阻构建的电路随着时间的推移而使用硅温度传感器进行了更新。

图2.热敏电阻和硅温度传感器（两种流行的模拟输出温度检测器）的线性度形成鲜明对比。

硅温度传感器具有不同的输出刻度和偏移量。例如，有些输出传递函数与K成比例，有些则与°C或°F成正比。 一些°C器件提供失调，因此可以使用单端电源监测负温度。

在大多数应用中，这些器件的输出被馈入比较器或A/D转换器，以将温度数据转换为数字格式。尽管需要这些额外的设备，但由于在许多情况下使用成本低且使用方便，热敏电阻和硅温度传感器继续受到欢迎。

数字 I/O 温度传感器

大约五年前，推出了一种新型温度传感器。这些器件包括一个数字接口，允许与微控制器通信。该接口通常是I²C或SMBus串行总线，但其他串行接口（如SPI）也很常见。除了向微控制器报告温度读数外，该接口还接收来自微控制器的指令。这些指令通常是温度限制，如果超过温度限制，则会激活温度传感器 IC 上的数字信号，从而中断微控制器。然后，微控制器能够调整风扇速度或降低微处理器的速度，例如，保持温度受控。

这种类型的设备具有多种功能，其中包括远程温度传感。为了实现遥感，大多数高性能CPU都包含一个片上晶体管，可提供温度的电压模拟。（仅使用晶体管的两个p-n结中的一个。图 3 显示了使用此技术监视的远程 CPU。其他应用利用分立晶体管来执行相同的功能。

图3.用户可编程温度传感器监控远程CPU片上p-n结的温度。

其中一些类型的传感器（包括图3所示的传感器）的另一个重要特性是，当测量温度超出上限和下限范围时，能够中断微控制器。在其他传感器上，当测量的温度超过高或低温度阈值（即，不是两者）时，会产生中断。对于图3中的传感器，这些限值通过SMBus接口传输到温度传感器。如果温度高于或低于限定范围，警报信号会中断处理器。

图4所示是一个类似的器件。然而，它不是监测一个p-n结，而是监测四个结点和它自己的内部温度。由于Maxim的MAX1668功耗很小，其内部温度接近环境温度。测量环境温度可指示系统风扇是否正常运行。

图4.用户可编程温度传感器监测其自身的本地温度和四个远程p-n结的温度。

在监控远程温度的同时控制风扇是图5所示IC的主要功能。该部件的用户可以在两种不同的风扇控制模式之间进行选择。在PWM模式下，微控制器通过改变发送到风扇的信号的占空比来控制风扇速度作为测量温度的函数。这使得功耗远低于该器件还提供的线性控制模式。由于一些风扇以控制它的PWM信号的频率发出可听见的声音，因此线性模式可能是有利的，但代价是更高的功耗和额外的电路。但是，增加的功耗只是整个系统功耗的一小部分。

图5.风扇控制器/温度传感器 IC 采用 PWM 或线性模式控制方案。

该IC提供警报信号，当温度超过规定限值时中断微控制器。还提供了信号形式的安全功能，称为“显性”（“过温”的缩写版本）。如果微控制器或软件在温度上升到危险水平时锁定，警报信号将不再有用。然而，一旦温度上升到通过SMBus设定的水平以上，显性就会激活，通常用于控制电路，而无需借助微控制器。因此，在微控制器无法正常工作的高温情况下，可以使用 overt 直接关闭系统电源，而无需微控制器，并防止潜在的灾难性故障。

这种数字 I/O 类设备广泛用于服务器、电池组和硬盘驱动器。在许多位置监控温度以提高服务器的可靠性：主板（本质上是机箱内部的环境温度）、CPU 芯片内部以及其他发热组件，如图形加速器和硬盘驱动器。出于安全原因，电池组集成了温度传感器，并优化了充电曲线，从而最大限度地延长了电池寿命。

监控硬盘驱动器的温度有两个很好的理由，这主要取决于主轴电机的速度和环境温度：驱动器中的读取错误在极端温度下增加，并且通过温度控制显着改善硬盘的MTBF。通过测量系统内的温度，您可以控制电机速度以优化可靠性和性能。驱动器也可以关闭。在高端系统中，可以为系统管理员生成警报，以指示极端温度或可能丢失数据的情况。

模拟加温度传感器

“模拟加”传感器通常适用于更简单的测量应用。这些IC产生源自测量温度的逻辑输出，与数字I/O传感器的区别主要是因为它们在单行上输出数据，而不是串行总线。

在最简单的模拟加传感器实例中，当超过特定温度时，逻辑输出跳闸。其中一些器件在温度上升到预设阈值以上时跳闸，而另一些器件则在温度降至阈值以下时跳闸。其中一些传感器允许使用电阻器调节温度阈值，而其他传感器则具有固定阈值。

图6所示器件具有特定的内部温度阈值。这三个电路说明了此类设备的常见用途：提供警告、关闭设备或打开风扇。

图6.当温度超过时发出信号的IC非常适合过温/欠温报警和简单的开/关风扇控制。

当需要实际温度读数并且可以使用微控制器时，在单条线路上传输读数的传感器可能很有用。借助微控制器的内部计数器测量时间，来自此类温度传感器的信号很容易转换为温度测量值。图7中的传感器输出方波，其频率与环境温度成正比，单位为开尔文。图8中的器件类似，但方波的周期与环境温度成正比，单位为开尔文。

图7.传输方波的温度传感器，其频率与以开尔文为单位的测量温度成正比，是加热器控制器电路的一部分。

图8.该温度传感器传输一个方波，其周期与测量的温度成正比，单位为开尔文。由于只需一条线路即可发送温度信息，因此只需一个光隔离器即可隔离信号路径。

图9是一种真正新颖的方法，允许在此公共线路上连接多达<>个温度传感器。当微控制器的I/O端口同时使线路上的所有传感器频闪时，从这些传感器中提取温度数据的过程就开始了。然后，微控制器被快速重新配置为输入，以便从每个传感器接收数据。数据被编码为传感器被选通后发生的时间量。每个传感器在特定时间范围内对频闪脉冲之后的这段时间进行编码。通过为每个传感器分配自己的允许时间范围来避免碰撞。

图9.微控制器最多可以选通连接在一条公共线路上的八个温度传感器，并接收从同一线路上的每个传感器传输的温度数据。

这种方法实现的精度高得惊人：室温下的典型精度为0.8°C，与以发射方波频率形式编码温度数据的IC精确匹配。使用方波周期的设备也是如此。

这些器件在电线受限的应用中表现出色。例如，当温度传感器必须与微控制器隔离时，成本保持在最低水平，因为只需要一个光隔离器。这些传感器在汽车和HVAC应用中也非常有用，因为它们减少了长距离运行的铜量。

温度传感器的预期发展

IC温度传感器提供各种功能和接口。随着这些器件的不断发展，系统设计人员将看到更多特定于应用的功能以及将传感器连接到系统的新方法。最后，芯片设计人员在同一芯片区域中集成更多电子设备的能力确保了温度传感器将很快包括新功能和特殊接口。

审核编辑：沟通