IC温度传感器查找热点

本应用笔记讨论了温度传感器IC的工作原理，并介绍了MAX1617，这是首款测量远端热二极管温度的温度传感器IC，可精确监测另一个IC或分立晶体管的管芯温度。

实时温度测量确保当今更小、更快的系统在安全的热区运行。最新的IC温度传感器以精确的精度监测外部和内部组件热点。

IC温度传感器已经成熟。在PC和汽车应用的推动下，设计人员将这些无处不在的热嗅探器嵌入到几乎所有比寻呼机更大的电子系统中。蜂窝电话通常在电池组中包括一个或多个传感器，笔记本电脑可能有四个或更多传感器，用于检查CPU，电池，交流适配器和PCMCIA卡架中的温度。因此，IC温度传感器的设计和制造已成为一个价值300亿美元/年的产业。

这些应用不包括设计人员在各种IC中内置的大量热关断和保护电路，作为防止短路和超频（超过IC规定的时钟速度）的最终防御。它们不能总是取代传统的温度传感器——电阻温度检测器、热敏电阻和热电偶——但IC温度传感器具有许多优势。例如，它们不需要线性化或冷端补偿。实际上，它们通常为热电偶提供冷端补偿。它们通常通过更高电平的输出信号提供更好的抗噪性，有些提供可以直接连接到数字系统的逻辑输出。

鲁布·戈德堡装置

关于IC温度传感器的讨论变得及时而重要，因为电子系统越来越密集、耗电和发热。温度传感器也有很多小工具的吸引力。许多IC执行高度抽象的功能。（看！这是一个正交幅度调制器！但温度传感器与现实世界直接相关，咔嗒声、嗡嗡声和嗡嗡声。将手指放在温度传感器上，它会通过启动风扇或蜂鸣器来响应。更复杂的传感器通常类似于带有数字接口的Rube Goldberg装置 - 具有自主操作，并且可能能够广播带有识别返回地址代码的警告消息，以精确定位发起者。

在IC的早期，IC温度传感器是简单的DIP器件，可测量自己的封装温度并产生成比例的输出电压信号。应用非常简单：您只需将模拟输出信号运行到电压比较器或A/D转换器中即可。如今，新设备的激增提供了遥感、气流感应和其他有趣的功能。本文按类型调查可用的IC温度传感器，并提供将其与应用相匹配以及权衡其规格和特性的指南。

每个带隙中的温度传感器

The ΔV是带隙基准电压源是几乎所有IC温度传感器的核心。首先，术语“带隙”用词不当：它指的是硅的带隙电压，在室温下为1.12V。纯属巧合的是，该值几乎等于负温度系数（TC）V时的魔术电压是，与正TC消除电压相加，得到稳定的零TC基准电压源。

硅pn结的正向电压为

VBE = VG0(1-T/T0)+VBE0(T/T0)+(nKT/q)ln(T0/T)+(KT/q)ln(IC/IC0),

其中 T 是以开尔文度为单位的温度，VG0是外推到绝对零度的半导体带隙，VBE0等于 V是在温度 T0和相应的电流IC0，K是玻尔兹曼常数，q是电子的电荷，n是与器件结构相关的常数。在两个电流密度下计算该方程可以简化得到的ΔV表达式是:

ΔVBE = (KT/q)ln(IC1/IC2).

因此，正向电压的差异与温度成正比。通过精确强制两个电流水平，您可以从测量的 ΔV 计算温度是几乎不考虑初始正向电压、结的物理尺寸、泄漏或其他结特性。这一原理是历史上使用最广泛的IC单元之一，即Brokaw带隙参考（图1）。您会发现这种设计或其近亲是几乎所有IC的启动电路中偏置电流发生器的一部分，无论是数字的还是模拟的。

图1.所有带隙电路均包括一个电子温度计。在MAX675精密基准中，温度计可通过封装引脚访问。在其他器件中，它连接到比较器，形成紧急热关断电路。

该技术要求迫使不同的电流密度通过构成基准电压源核心的两个晶体管。虽然是分立元件版本，但带隙电路类似于单片IC版本。两个晶体管的工作电流密度比精确为16：1。作为精密运算放大器IC的反馈1平衡电路，产生的VBE电压在R两端施加1.

作为 R 中的电流1通过 R 流向地面2，Q 发射极处产生的电压2TC 的正 TC 为 2.2mV/°C。 用 Q 求和2的 V是，该电压在 V 处产生零 TC 电压裁判输出端子。集成电路2缓冲和缩放正 TC 电压 （VTC） 以提供 10mV/°C 的精确输出。 因此，大多数IC都包含一个温度计，但它的精度通常值得怀疑，IC设计人员很少将其用于外部使用。

硅pn结的过大漏电流特性将基于IC的传感器的温度限制在200°C左右。 根据经验，这些电流随着温度每升高10°C而翻倍。过大的漏电流会导致带隙基准电压源和信号调理电路出现故障。

IC温度传感器的主要类别

供应商根据输入源和输出信号方法对IC温度传感器进行分类。要测量的温度源通常是IC自身的封装，但您可以使用片上加热器测量气流，将封装温度提高到环境温度以上，也可以使用连接二极管的晶体管测量远端温度。在输出端，模拟输出、恒温逻辑输出和串行数字输出信号方法被广泛使用。表1提供了温度传感器的样本。

第一个IC温度传感器是基本的模拟输出设备，可产生与温度成比例的电压或电流。它们仍然非常有用，特别是在设计可以利用温度指示几乎无限分辨率的纯模拟系统时。

设计人员通常使用简单的逻辑输出器件来控制冷却风扇和其他恒温器应用。当传感器的封装温度超过预设阈值时，传感器的逻辑输出将改变状态。这些器件通常具有连接，允许您使用外部电阻分压器调节阈值温度和迟滞带。其他器件在内部固定阈值和迟滞。这些简单的芯片（例如Maxim的MAX6501系列）最近推出了小型低成本封装，如SOT-23。

IC温度传感器在作为ASIC的一部分集成时最有效。较旧的镍镉电池组通常具有板载热敏电阻（低于25美分）而不是IC温度传感器。较新的锂离子电池组通常将温度传感器与电池组的保护IC集成在一起，保护IC还执行过流保护、电池平衡、电量计和其他任务。

更复杂的温度传感器包括一个串行接口，如I²C、SPI或SMBus，可提供与嵌入式微控制器和其他数字系统的通信。在类似的趋势中，越来越多的微控制器具有内置串行接口，无需对接口引脚进行“位撞击”。专用串行接口也在向食物链上游迁移。例如，英特尔最新的PC芯片组有一个I/O控制器芯片，其中包含一个形成双线SMBus接口的状态机。

 

装置	措施	输出接口	典型封装	评论
ADI公司AD590	封装温度	模拟电流	SO-8	非常稳定，不受遥感中线路电压降的影响，抗噪性好
Maxim MAX675， REF-01， LM45， ADI公司 AD22103	封装温度	模拟电压	SO-8 或 SOT-23	通常与基准电压源或其他构建模块结合使用，提供并联和缓冲 VOUT 类型
TMP01， TC620， 马克西姆MAX6502	封装温度	恒温器逻辑输出	SOT-23	内置模拟比较器，通常具有可调迟滞
达拉斯半导体 DS1621， 美国国家半导体， LM75 和 LM78， 凌力尔特 LT1392	封装温度	串行数字接口	SO-8， SO-16	I²C、SPI、SMBus接口;有时内置于大型多功能 A/D 转换器 IC 中
MaximMAX1617	远端二极管结	串行数字接口	16 针 QSOP	SMBus接口;直接监控 CPU 温度

 

串行接口数字传感器

串行数据接口最有用的应用包括 CPU 时钟节流和风扇控制。时钟节流（降低时钟频率）是提高便携式系统中电池寿命的成熟技术。较低的时钟频率可降低容性开关损耗，从而降低电源电流并延长电池寿命。设计人员还使用时钟节流来控制当您超快的台式机或笔记本电脑过度工作时发生的热量积聚。

电源管理系统监控 CPU 温度，并在 CPU 温度超过安全限制时降低时钟频率（也可能激活风扇）。温度传感器的数字接口允许您在温度控制回路中包含智能功能，从而允许系统应用风扇速度和时钟节流的不同组合，以响应特定区域的过热。软件控制还允许您在更改系统硬件或散热属性时轻松升级。

最新、最热的 CPU 芯片支持时钟节流，内置 pn 二极管用于温度指示。片上二极管比热敏电阻和其他以前的传感器领先几光年，因为二极管直接直接测量临界点（IC基板），而没有与外部传感器封装和散热器中的热质量相关的延迟。这种遥感技术的另一个好处是芯片连接问题或散热不良不会破坏测量。

最重要的是，温度检测二极管消除了传感器在从CPU到环境热阻路径上的物理位置导致的不准确性和不确定性。设计人员可以将时钟速度和标准基准性能提高到热极限，而无需使用笨重、过度设计的散热器或适应仅在撒哈拉沙漠中发现的环境温度所必需的过于保守、最坏情况的性能边界。

新CPU中的热敏二极管根据二极管温度系数2.2mV/°C提供芯片温度的原始指示。 A/D转换器必须处理此信号，以便由电源管理系统进行解释。一种方法是用恒定电流偏置二极管，测量其正向电压，并从基本的2.2mV/°C TC计算温度。但这种方法有一个缺点：由于初始正向电压随工艺和器件特性而变化，因此您可能需要针对CPU工艺或芯片设计中的每次更改重新表征二极管，甚至单独校准二极管。The ΔV是技术是更好的方法。

远程 ΔV是中央处理器传感器

实现 ΔV是使用远端二极管的方法需要一个积分A/D转换器、一些用于数学转换的逻辑，以及一个精确的电流源，该电流源在两个电平之间切换，比率可能为10：1。单芯片ICMAX1617包含这些功能，并转换ΔV是信号到两线串行数据（图 2）。MAX1617可用于CPU温度测量，因为它可检测两种温度：自身封装的温度和远端端的温度，如CPU的热二极管。当您将其安装在关键的发热子系统（如高速缓存或交流适配器）附近时，IC会同时测量其本地温度和远程CPU的温度。

图2.串行接口温度传感器 IC 可通过 CPU 中的热敏二极管轻松测量远程 CPU 温度。

精确、低成本的IC传感器允许设计人员进行多次远程封装和片上温度测量，以从其系统中榨取最大性能。动态调整发热参数（如时钟速度）允许系统继续运行，即使在恶劣的温度环境中也是如此。

审核编辑：郭婷