深入剖析LM20温度传感器：特性、应用与设计要点

在电子设备的设计中，温度监测是一个关键环节，它对于保障设备的性能和稳定性至关重要。今天，我们就来深入探讨一款高性能的温度传感器——LM20。

文件下载：lm20.pdf

一、LM20概述

LM20是一款精密模拟输出CMOS集成电路温度传感器，由德州仪器（TI）生产。它的工作温度范围为 -55°C 至 130°C，电源工作范围为 2.4 V 至 5.5 V，具有低功耗、高精度等特点，适用于多种应用场景。

二、LM20的特性亮点

2.1 宽温度范围与高精度

LM20的工作温度范围为 -55°C 至 130°C，在不同温度下都能保持较高的精度。在 30°C 时，精度为 ±1.5 至 ±4°C（最大值）；在 130°C 和 -55°C 时，精度为 ±2.5 至 ±5°C（最大值）。这种高精度使其能够满足大多数应用的需求。

2.2 低功耗设计

其静态电流小于 10 μA，在静止空气中的自热小于 0.02°C。低功耗不仅降低了系统的能耗，还减少了自身发热对测量结果的影响，提高了测量的准确性。而且，由于其功耗极低，它可以直接由许多逻辑门的输出供电，甚至无需关闭功能。

2.3 灵活的封装形式

提供 SC70 和 DSBGA 两种封装形式，用户可以根据实际应用场景选择合适的封装，增加了设计的灵活性。

2.4 可预测的曲率误差

LM20的传递函数主要是线性的，但有轻微的可预测抛物线曲率。这种特性使得在进行温度补偿时更加方便，工程师可以根据其特性进行精确的校准。

三、LM20的应用领域

3.1 消费电子

在手机、电脑、打印机、传真机等设备中，LM20可以实时监测设备内部的温度，防止设备因过热而损坏，提高设备的可靠性和稳定性。

3.2 电源管理

在电源模块和电池管理系统中，精确的温度监测有助于优化电源效率，延长电池寿命。LM20的高精度和低功耗特性使其成为这些应用的理想选择。

3.3 工业控制

在 HVAC（供暖、通风和空调）系统、磁盘驱动器等工业设备中，LM20可以用于温度控制和监测，确保设备在合适的温度环境下运行。

四、LM20的技术细节

4.1 引脚配置与功能

LM20在不同封装下有不同的引脚配置。以 5 引脚 SC70 封装为例，包括接地引脚（GND）、电源引脚（V +）、模拟输出引脚（V O）等。详细的引脚功能如下表所示：	PIN	NAME	DSBGA	SC70	TYPE	DESCRIPTION
GND	-	-	2	GND	设备基板和芯片连接焊盘，连接到电源负端。为了实现与 PC 板接地平面的最佳热导率，引脚 2 必须接地，该引脚也可悬空。
GND	A2	-	5	GND	设备接地引脚，连接到电源负端。
NC	A1	-	1	-	NC（引脚 1）必须悬空或接地，其他信号走线不得连接到该引脚。
V O	B1	-	3	Analog Output	温度传感器模拟输出。
V +	B2	-	4	Power	正电源引脚。

4.2 电气特性

• 电源电压范围：2.4 V 至 5.5 V，适应多种电源环境。
• 输出阻抗：最大 160 Ω，能够稳定驱动负载。
• 负载调整率：当 0 μA < IL < 16 μA 时，最大为 -2.5 mV，保证输出电压的稳定性。

4.3 传递函数

LM20的传递函数可以用不同的方式描述，以获得不同精度的结果。

• 简单线性传递函数（在 25°C 附近精度较好）：$V_{O}=-11.69 mV /^{circ} C times T+1.8663 V$
• 抛物线传递函数（在 -55°C 至 130°C 全工作温度范围内精度最佳）：$V_{O}=left(-3.88 times 10^{-6} times T^{2}right)+left(-1.15 times 10^{-2} times Tright)+1.8639$

4.4 温度与电压输出特性

根据抛物线传递函数，可以生成温度与电压输出特性表，方便工程师在设计时进行参考。例如，在 -55°C 时，输出电压为 2.4847 V；在 30°C 时，输出电压为 1.5154 V。

五、应用设计要点

5.1 电容负载处理

LM20能够很好地处理电容负载。在无任何预防措施的情况下，它可以驱动小于 300 pF 的任何电容负载。但在极嘈杂的环境中，可能需要添加一些滤波措施以减少噪声干扰。建议在 V + 到 GND 之间添加 0.1 μF 的电容来旁路电源电压。对于电容负载大于 300 pF 的情况，可以在输出端添加一个电容和一个串联电阻来进行补偿。

5.2 光照敏感性

LM20 DSBGA 封装暴露在强光下时，输出读数可能会下降 1.5 V。在正常的办公室荧光灯环境中，输出电压的影响较小（下降小于 1 mV）。因此，建议将 LM20 DSBGA 放置在某种外壳内，以减少其光照暴露。

5.3 电源供应建议

LM20的电源电压范围为 2.4 V 至 5.5 V，非常适合多种应用。在嘈杂的环境中，建议在 V + 到 GND 之间至少添加 0.1 μF 的电容来旁路电源电压。具体的电容值可能需要根据电源噪声情况进行调整。

5.4 布局设计

• 安装方式：LM20可以像其他集成电路温度传感器一样轻松应用，可以粘贴或胶合到表面。它所感测的温度与引脚所连接表面的温度相差约 0.02°C。
• 热导率：为确保良好的热导率，LM20 芯片的背面直接连接到引脚 2 的 GND。其他引脚的焊盘和走线温度也会影响感测的温度。
• 防护措施：LM20 及其配套的布线和电路必须保持绝缘和干燥，以避免泄漏和腐蚀。特别是在可能出现冷凝的低温环境中工作时，这一点尤为重要。可以使用印刷电路板涂层和清漆，如 conformal 涂层、环氧漆或浸渍剂，来防止水分腐蚀 LM20 或其连接。

六、典型应用案例

6.1 全量程摄氏温度传感器

LM20 可以由单个锂离子电池供电，作为 -55°C 至 130°C 的全量程摄氏温度传感器。在进行设计时，需要根据具体的应用场景选择合适的传递函数来计算温度。例如，在温度范围为 -30°C 至 100°C 时，可以使用线性传递函数 $V_{O}=-11.77 mV/^{circ} C times T + 1.8605 V$ 来计算温度，最大偏差为 ±0.70°C。

6.2 摄氏恒温器

使用参考电压源（如 LM4040）和比较器（如 LM7211）可以创建一个简单的恒温器。通过计算阈值电压，可以实现对温度的精确控制。

七、总结

LM20 温度传感器以其宽温度范围、高精度、低功耗和灵活的封装形式，在电子设备的温度监测领域具有广泛的应用前景。在设计应用时，工程师需要充分考虑其电气特性、电容负载处理、光照敏感性等因素，合理布局和优化电路设计，以确保系统的性能和稳定性。希望通过本文的介绍，能够帮助大家更好地了解和应用 LM20 温度传感器。大家在使用 LM20 的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享交流。