分布式温度检测提高可靠性

具有多个“热点”的系统通常需要多个温度传感器或温度开关。本应用笔记讨论了在此类系统中使用具有模拟、数字和PWM接口的温度传感器。

为了防止损坏或性能损失，许多电子系统都包括用于监测热条件的温度传感器。具有多个潜在“热点”的系统需要多个分布式温度传感器。

图 1 说明了机箱的概念，其中三个位置可能会产生热故障。其中两种是高速芯片，如微处理器 （μP）、DSP 或图形控制器，其工作功率水平能够产生危险温度。另一个热发生器是安装在机箱后部散热器上的功率设备。

图1.这种分布式传感系统监测散热器、电路板上的两个IC和进气口的温度。

可以在每个位置放置温度传感器，以单独监测每个温度。如果任何温度超过其安全工作范围，系统可以通过打开冷却风扇、降低时钟速度或禁用系统电源来避免出现问题。为了验证风扇是否正常工作，以及外部环境空气是否足够冷以将内部温度保持在安全范围内，进气口的第四个传感器监测来自冷却风扇的传入空气。

大多数温度传感器IC感测自己的管芯温度，其管芯温度与封装引线的温度几乎相同。这种IC放置在非常靠近热设备的位置，可以为热源提供良好的温度指示。由于热源比安装它的电路板温暖，因此测量的温度将略低于源的温度。

为了尽量减少这种温差，请将传感器安装在尽可能靠近热源的地方。将传感器和热源在其接地引脚和（如果可行）电源引脚处连接在一起。确保铜面积足够大，以便进行良好的传热。一些传感器封装具有卡舌，可通过螺栓轻松安装到其他物体上。这种封装提供了从安装片到芯片的出色热路径，使其可用于测量散热器或机箱温度。

模拟与数字传输

一旦将温度传感器放置在适当的位置，其温度信息必须传达到使用点，通常是微控制器（μC）。所采用的方法首先取决于感测温度的目的。如果您只需要不时知道每个位置的温度，一种方法是部署模拟温度传感器（IC或热敏电阻/电阻组合），并使用模数转换器（ADC）定期测量其输出电压。ADC可以是独立器件，也可以集成在μC上。此类ADC通常包括多路复用器（多路复用器）。如果没有，则必须添加一个（图2）。

伊古雷 2.如果ADC位于μC上，并且多路复用器具有足够的模拟输入通道来容纳系统中的所有传感器，则这种简单的分布式温度检测方法具有成本效益。

如果传感器信号线较长且系统产生大量电噪声，则灵敏度相对较高的传感器将最大限度地减少噪声拾取并提高精度。所示传感器IC的输出灵敏度为25mV/°C，足以在大多数应用中使用低分辨率ADC。对于具有宽温度范围的应用，线性温度传感器 IC 通过在整个范围内产生一致的温度分辨率，比热敏电阻具有主要优势。

有时，μC缺乏足够的模拟输入来容纳所有系统传感器和其他模拟信号。在这种情况下，请考虑以其他方式将温度传达给μC的传感器。

包含ADC和标准串行接口的温度传感器提供了一种在模拟输入不足时检测多个温度的简便方法。例如，MAX6625使用2线接口与μC通信，即I2C™/SMBus™ 兼容。它有一个引脚，通过接地、电源电压、SDA 引脚或 SCL 引脚，将传感器的地址设置为四个值之一。一条6625线总线最多可连接2个MAX3（图<>）。

图3.位于不同位置的多达6625个MAX2可以通过在ADD引脚上设置不同的地址来共享一条1617线总线。如有必要，可以再增加1619个MAX12或MAX<>，在总线上总共产生<>个热监测位置。

通过添加具有不同地址的传感器，您可以容纳更多的数字温度传感器。例如，在四个MAX1617中可以增加多达6625个MAX6625。由于MAX<>系统连接是数字连接，因此当传感器相距较远或产生大量电噪声的系统中时，它是模拟输出传感器的绝佳替代方案。

MAX6625连续测量温度，每8ms更新一次133位加符号输出。主机处理器可以随时通过 2 线总线读取温度。当温度超过主机编程门限时，MAX6625可在漏极开路输出（O.T.端）上产生中断。该比较器功能的迟滞也可以编程，使MAX6625能够忽略小的温度变化。为了监测多个位置的潜在热问题，而主机无需持续读取数据，请使用公共上拉电阻将MAX6625的中断线连接到单条走线上。MAX6625的纤巧型6引脚SOT23封装，即使在紧凑封装的电路板上，也能靠近热源。

标准串行接口不是多个传感器传输数据的唯一方式。例如，MAX6575产生逻辑输出，其延时与温度成正比。简单的基于延时多路复用方案，可将多达6575个MAX<>连接至单个μC I/O引脚。

图 4 说明了该技术。多达6575个MAX1通过一条I/O线连接到μC。μC 通过将该线拉低至少 6575μs 来读取温度。释放I/O线后，MAX5将I/O线拉低，保持低电平一段时间与绝对温度（6575μs/°K）成比例，然后释放。μC和MAX5启动的高低转换之间的时间间隔与绝对温度成正比，引脚可编程为20、40、80或6575μs/°K （MAX160L），或320、480、640或6575μs/°K （MAX<>H）。借助μC的内部计数器/定时器，可以将多达<>个传感器放置在不同的位置，所有传感器均由一条I / O线读取。这种技术提供了出色的噪声抑制，因为电噪声对过渡边缘的任何偏斜都会被相对较长的时间延迟所掩盖。

图4.使用时间延迟 为了对温度信息进行编码，MAX6575可以在μC处将多达<>个温度传输到单个数字I/O引脚。

对于某些应用，通过地址（MAX6625）或时间延迟（MAX6575）使多个传感器唯一性是没有帮助的。例如，将多个相同的卡插入背板上的连接器的卡架不能具有唯一的传感器地址或时间延迟选择，因为您必须能够用任何其他卡替换任何卡。

MAX6575通过共享多个类似传感器的输出，可以监视多个可互换卡。其延时输出允许您测量最热和最冷卡的温度（图 5）。本电路与图4相同，不同之处在于所有MAX6575L都设置为最短的可用时延（引脚在TS0 = TS1 = GND）。因此，MAX6575L将I/O线拉低（T1）之前的延迟和保持I/O低电平的间隔均等于5Tμs，其中T是以°K为单位的温度。

图5.即使设置了相同的延时来测量可互换卡的温度，连接到一条I/O线的多个MAX6575也可以指示系统中最冷和最热板的温度。

如图6575所示将多个MAX4L连接在一起时，温度最低的传感器将首先将I/O拉低。该动作产生的T1值与最冷MAX6575的温度成正比。最热的MAX6575将在距离启动脉冲下降沿2Tμs后最后一个释放I/O（时间T10）。通过测量T1和T2，μC可以计算最热和最冷卡的温度。

热敏开关监控阈值违规

如果只需要指示卡温度超过其阈值，也许是为了打开风扇，MAX6501系列器件提供了一个简单的解决方案。MAX6501“热敏开关”为温度比较器，具有工厂设置的门限，在-10°C至+45°C范围内以115°C为增量。 当管芯温度超过此预设阈值时，其漏极开路输出变为活动状态。

例如，在卡架中，每张卡包含一个或多个MAX6501，所有MAX6501输出连接到公共输出线。如果任何卡超过其温度限制，它将输出线拉低，打开风扇或启动其他操作以降低卡的温度（图6）。由于漏极开路输出连接在一起，当任何卡高于其跳变温度时，它们会产生“过温”信号。这种布置还可以在单个板上监控多个温度。MAX6501采用5引脚SOT23封装，适用于板载应用，7引脚TO-220封装，适用于需要安装到散热器或机箱的应用。

图6.当单独的地址不切实际时，例如在具有多个可互换卡的系统中，可以使用MAX6501等热比较器监测多个温度。公共 THERM 节点上的“低”表示至少一张卡已超过其阈值温度。

远程结传感器简化设计

到目前为止讨论的传感器测量自己的温度。另一类传感器测量远程PN结的温度，该结可以是分立晶体管的一部分，也可以是高速μP等高功率IC的一部分。这种布置允许在IC上进行直接温度测量，只有在异常条件下（例如气路堵塞）才可能遇到热问题。远端结温传感器（MAX1617/MAX1619）用于许多系统。它们通过强制两个不同的电流电平通过检测结并测量每种情况下的电压来工作。由两个电流引起的正向电压差与绝对温度成正比。

在具有多个高速、高功率芯片（如多个处理器）的系统中，使用多个远程结点传感器的替代方法是使用单个芯片来测量多个远程结点（图 7）。图7所示的单个IC （MAX1668）测量四个外部结的温度：两个μP、一个高性能图形控制器和一个分立的npn晶体管，用于检测附近另一个发热IC的温度。除了这四个远端结点外，MAX1668还测量自身的温度，以指示本地PCB上的条件。

图7.除了自身的管芯温度外，该多结传感器还可测量四个外部P-N结的温度。

MAX1668作为监测多种温度的单IC实现更高效的设计。由于主控制器位于单个地址，而不是单独传感器芯片所需的多个地址，因此主控制器可以更轻松地读取多个温度或识别故障位置。共享所需模拟信号调理电路的多个测量通道还可以降低系统的成本和尺寸。MAX1668采用16引脚QSOP封装，常见于大多数远端结传感器。

系统设计人员关心的一个问题是远程交汇点传感器与其目标交汇点之间的最大可用距离。然而，影响这个最大值的变量如此之多，以至于单个数字答案毫无意义。在电气安静的环境中，如果串联电阻低于一欧姆或两欧姆，则远程结可能离传感器很远（长达一米）。随着EMI的增加，必须减小该走线长度。大多数远端结传感器具有良好的噪声抑制能力，但如果走线上的噪声拾取大到足以影响检测结的正向电压，则测得的温度将出现误差。对于高速系统，谨慎的方法是将走线长度限制在几英寸。

审核编辑：郭婷