關(guān)于PT100溫度傳感器芯片在為系統(tǒng)提供保護(hù)作用的探討
2020-2-23 11:12:03??????點(diǎn)擊：
系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師開(kāi)發(fā)電子產(chǎn)品時(shí)往往受到兩方面的限制，令他們不得不審慎考慮系統(tǒng)的散熱問(wèn)題。其中一個(gè)條件限制是印刷電路板及機(jī)盒的大小及成本。由于產(chǎn)品越趨小巧，因此機(jī)盒內(nèi)的氣流較少，很難降低耗電量大而又敏感的半導(dǎo)體芯片的溫度。性能是另一個(gè)條件限制，因?yàn)槲覀儾粩嗵岣咛幚砥?、?shù)字信號(hào)處理器(DSP)及控制器(MCU)的性能，但根據(jù)摩爾定律，處理器性能每提升一倍，功耗也相應(yīng)增加一倍。由于受到這兩方面的限制，因此電子產(chǎn)品很易在操作時(shí)積聚大量熱能，令溫度不斷攀升，以致影響系統(tǒng)的可靠性，甚至功能能否充分發(fā)揮也會(huì)受到影響。以這兩方面的問(wèn)題來(lái)說(shuō)，PT100溫度傳感器芯片都可發(fā)揮關(guān)鍵性的保護(hù)作用。
需要保護(hù)的關(guān)鍵電路一經(jīng)確定之后，便必須制定相關(guān)的保護(hù)策略。
保護(hù)策略
一直以來(lái)，工程師都利用銅線或金屬塊作為散熱器，以保護(hù)會(huì)耗散大量熱能的芯片。這個(gè)方法仍然很受歡迎，但只局限于并不怎樣計(jì)較產(chǎn)品輕重的系統(tǒng)。從熱能管理的角度來(lái)看，計(jì)算機(jī)制造商其實(shí)有很多值得我們學(xué)習(xí)的地方。他們采用的保護(hù)計(jì)算機(jī)的方法也適用于其他電子產(chǎn)品，而事實(shí)上這些方法已被其他行業(yè)如電子游戲機(jī)及汽車(chē)電子系統(tǒng)業(yè)的制造商所廣泛采用。以下是幾個(gè)基本的保護(hù)方式：利用空氣的對(duì)流作用提供被動(dòng)式保護(hù)；利用恒溫器提供開(kāi)/關(guān)保護(hù)；利用溫度傳感器提供主動(dòng)式保護(hù)；包括電壓監(jiān)控及扇速控制功能的監(jiān)控硬件；
有一點(diǎn)很重要，那就是采用塑膠封裝的PT100溫度傳感器芯片可在–55°C至150°C的溫度范圍內(nèi)操作。對(duì)于需要在150°C至180°C的高溫范圍內(nèi)操作的先進(jìn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)封裝的PT100傳感器裸粒仍可適用。
目前有幾個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的方法最具經(jīng)濟(jì)效益，例如適當(dāng)降低功率的額定值、讓空氣自由流動(dòng)以及采用散熱器。為了確保產(chǎn)品性能可靠，符合集成電路制造商所作的保證，芯片本身的連接面溫度必須不能超過(guò)數(shù)據(jù)表所列的數(shù)值(約150°C)。
電源管理芯片的數(shù)據(jù)表都將有關(guān)的方程式一一列出，讓工程師可以利用降低功率額定值的方法計(jì)算散熱器的大小。有關(guān)方程式已將芯片至封裝、封裝至散熱器、以及空氣對(duì)流等不同散熱方面的PT100熱阻計(jì)算在內(nèi)。
恒溫器芯片
采用PT100恒溫器芯片可以避免電子產(chǎn)品因?yàn)楫a(chǎn)生大量熱能而燒毀其中的電子零件，而且這是一個(gè)簡(jiǎn)單而又快捷的解決方法。恒溫器芯片可將電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)入備用模式，甚至停止電源供應(yīng)器的供電，或啟動(dòng)散熱扇。例如，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM26及LM27溫度傳感器芯片屬于成本效益非常高的恒溫器，跳轉(zhuǎn)點(diǎn)低至只有23°C，最高可達(dá)145°C，應(yīng)用范圍非常廣泛。此外，這款恒溫器也有2°C或10°C兩種磁滯可供選擇，以滿足不同熱滯后時(shí)間及熱質(zhì)量的不同要求。
數(shù)字溫度傳感器
數(shù)字溫度傳感器內(nèi)置二極管傳感電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、寄存器及接口區(qū)塊。8位傳感器的精確度可達(dá)4°C左右。在室溫下，16位傳感器的精確度可達(dá)0.33°C。傳感器需要感測(cè)的溫度范圍越小，其準(zhǔn)確度便越高，因?yàn)闇囟葌魉秃瘮?shù)呈雙曲線的特性。
PT100傳感器必須具備較高的準(zhǔn)確度，其中一個(gè)原因是系統(tǒng)參數(shù)可能會(huì)突然出現(xiàn)很大的轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)最好能在不影響運(yùn)作可靠性的前提下盡量靠近容許的溫度極限操作。假設(shè)我們采用的微控制器可在高達(dá)125°C的溫度環(huán)境下操作，而所采用的PT100溫度傳感器具備4°C的準(zhǔn)確度，那么示警信號(hào)的發(fā)出必須設(shè)在117°C，以便截?cái)嗵幚砥鞯墓╇?。若傳感器的?zhǔn)確度達(dá)1°C，即使溫度高達(dá)123°C，系統(tǒng)仍可繼續(xù)操作。
SPI、SMBus或I2C是幾種專(zhuān)門(mén)用于通信的接口。由于這幾種通信接口可以傳送完整可靠的輸出數(shù)據(jù)流，因此PT100傳感器可以置于距離微控制器20至30cm而噪音也較多的地方。像美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體LM75B這類(lèi)數(shù)字傳感器可以承受高達(dá)300mV的總線噪音，即使在這樣高的噪音干擾下，這類(lèi)數(shù)字傳感器仍可繼續(xù)傳送信號(hào)，而且保證信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)訛誤。由于模擬傳感器的典型輸出為10mV/°C，因此只要有10mV的噪音，傳感器輸出的數(shù)據(jù)便會(huì)出現(xiàn)訛誤。
扇速控制
許多以上所述的遠(yuǎn)程PT100傳感器都設(shè)有直流電扇速控制功能，因此即使溫度上升系統(tǒng)也不必全面停止操作。大部分散熱扇控制器采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制直流電扇速?？上гS多PWM輸出只能在20kHz以下的頻率進(jìn)行，如此低的頻率很易產(chǎn)生人耳也可察覺(jué)的噪音。為免產(chǎn)生這類(lèi)噪音，散熱扇控制器必須在極高或極低的頻率下進(jìn)行PWM開(kāi)關(guān)。部分傳感器如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM63遠(yuǎn)程二極管傳感器更設(shè)有可編程的PWM開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)180kHz，并且可以逐級(jí)遞增。若果必須在這個(gè)較高的頻帶范圍內(nèi)操作，而密封盒/散熱扇或系統(tǒng)的其他元件卻出現(xiàn)諧振頻率，這款傳感器仍可在22Hz至703Hz的PWM頻率范圍內(nèi)進(jìn)行操作。只要PWM與溫度傳送的函數(shù)曲線呈拋物線的形狀，散熱扇便會(huì)產(chǎn)生最少噪音。
總結(jié)
集成電路的可靠性以及功能能否充分發(fā)揮在很大程度上取決于環(huán)境情況，其中以電及熱應(yīng)力的影響為最大。體積小、性能高的集成電路都有熱應(yīng)力的問(wèn)題，而且這個(gè)問(wèn)題越來(lái)越受到業(yè)界的關(guān)注。以前，被動(dòng)式的散熱方法已能徹底解決散熱問(wèn)題。但隨著閉環(huán)溫度控制漸漸成為系統(tǒng)的重要功能特色之后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在要更深入分析各種散熱方法。我們?nèi)艉雎赃@些問(wèn)題，就不只手指頭燒傷那么小事。
需要保護(hù)的關(guān)鍵電路一經(jīng)確定之后，便必須制定相關(guān)的保護(hù)策略。
保護(hù)策略
一直以來(lái)，工程師都利用銅線或金屬塊作為散熱器，以保護(hù)會(huì)耗散大量熱能的芯片。這個(gè)方法仍然很受歡迎，但只局限于并不怎樣計(jì)較產(chǎn)品輕重的系統(tǒng)。從熱能管理的角度來(lái)看，計(jì)算機(jī)制造商其實(shí)有很多值得我們學(xué)習(xí)的地方。他們采用的保護(hù)計(jì)算機(jī)的方法也適用于其他電子產(chǎn)品，而事實(shí)上這些方法已被其他行業(yè)如電子游戲機(jī)及汽車(chē)電子系統(tǒng)業(yè)的制造商所廣泛采用。以下是幾個(gè)基本的保護(hù)方式：利用空氣的對(duì)流作用提供被動(dòng)式保護(hù)；利用恒溫器提供開(kāi)/關(guān)保護(hù)；利用溫度傳感器提供主動(dòng)式保護(hù)；包括電壓監(jiān)控及扇速控制功能的監(jiān)控硬件；
有一點(diǎn)很重要，那就是采用塑膠封裝的PT100溫度傳感器芯片可在–55°C至150°C的溫度范圍內(nèi)操作。對(duì)于需要在150°C至180°C的高溫范圍內(nèi)操作的先進(jìn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，無(wú)封裝的PT100傳感器裸粒仍可適用。
目前有幾個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的方法最具經(jīng)濟(jì)效益，例如適當(dāng)降低功率的額定值、讓空氣自由流動(dòng)以及采用散熱器。為了確保產(chǎn)品性能可靠，符合集成電路制造商所作的保證，芯片本身的連接面溫度必須不能超過(guò)數(shù)據(jù)表所列的數(shù)值(約150°C)。
電源管理芯片的數(shù)據(jù)表都將有關(guān)的方程式一一列出，讓工程師可以利用降低功率額定值的方法計(jì)算散熱器的大小。有關(guān)方程式已將芯片至封裝、封裝至散熱器、以及空氣對(duì)流等不同散熱方面的PT100熱阻計(jì)算在內(nèi)。
恒溫器芯片
采用PT100恒溫器芯片可以避免電子產(chǎn)品因?yàn)楫a(chǎn)生大量熱能而燒毀其中的電子零件，而且這是一個(gè)簡(jiǎn)單而又快捷的解決方法。恒溫器芯片可將電子產(chǎn)品轉(zhuǎn)入備用模式，甚至停止電源供應(yīng)器的供電，或啟動(dòng)散熱扇。例如，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM26及LM27溫度傳感器芯片屬于成本效益非常高的恒溫器，跳轉(zhuǎn)點(diǎn)低至只有23°C，最高可達(dá)145°C，應(yīng)用范圍非常廣泛。此外，這款恒溫器也有2°C或10°C兩種磁滯可供選擇，以滿足不同熱滯后時(shí)間及熱質(zhì)量的不同要求。
數(shù)字溫度傳感器
數(shù)字溫度傳感器內(nèi)置二極管傳感電路、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器、寄存器及接口區(qū)塊。8位傳感器的精確度可達(dá)4°C左右。在室溫下，16位傳感器的精確度可達(dá)0.33°C。傳感器需要感測(cè)的溫度范圍越小，其準(zhǔn)確度便越高，因?yàn)闇囟葌魉秃瘮?shù)呈雙曲線的特性。
PT100傳感器必須具備較高的準(zhǔn)確度，其中一個(gè)原因是系統(tǒng)參數(shù)可能會(huì)突然出現(xiàn)很大的轉(zhuǎn)變。系統(tǒng)最好能在不影響運(yùn)作可靠性的前提下盡量靠近容許的溫度極限操作。假設(shè)我們采用的微控制器可在高達(dá)125°C的溫度環(huán)境下操作，而所采用的PT100溫度傳感器具備4°C的準(zhǔn)確度，那么示警信號(hào)的發(fā)出必須設(shè)在117°C，以便截?cái)嗵幚砥鞯墓╇?。若傳感器的?zhǔn)確度達(dá)1°C，即使溫度高達(dá)123°C，系統(tǒng)仍可繼續(xù)操作。
SPI、SMBus或I2C是幾種專(zhuān)門(mén)用于通信的接口。由于這幾種通信接口可以傳送完整可靠的輸出數(shù)據(jù)流，因此PT100傳感器可以置于距離微控制器20至30cm而噪音也較多的地方。像美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體LM75B這類(lèi)數(shù)字傳感器可以承受高達(dá)300mV的總線噪音，即使在這樣高的噪音干擾下，這類(lèi)數(shù)字傳感器仍可繼續(xù)傳送信號(hào)，而且保證信號(hào)不會(huì)出現(xiàn)訛誤。由于模擬傳感器的典型輸出為10mV/°C，因此只要有10mV的噪音，傳感器輸出的數(shù)據(jù)便會(huì)出現(xiàn)訛誤。
扇速控制
許多以上所述的遠(yuǎn)程PT100傳感器都設(shè)有直流電扇速控制功能，因此即使溫度上升系統(tǒng)也不必全面停止操作。大部分散熱扇控制器采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制直流電扇速?？上гS多PWM輸出只能在20kHz以下的頻率進(jìn)行，如此低的頻率很易產(chǎn)生人耳也可察覺(jué)的噪音。為免產(chǎn)生這類(lèi)噪音，散熱扇控制器必須在極高或極低的頻率下進(jìn)行PWM開(kāi)關(guān)。部分傳感器如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM63遠(yuǎn)程二極管傳感器更設(shè)有可編程的PWM開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)180kHz，并且可以逐級(jí)遞增。若果必須在這個(gè)較高的頻帶范圍內(nèi)操作，而密封盒/散熱扇或系統(tǒng)的其他元件卻出現(xiàn)諧振頻率，這款傳感器仍可在22Hz至703Hz的PWM頻率范圍內(nèi)進(jìn)行操作。只要PWM與溫度傳送的函數(shù)曲線呈拋物線的形狀，散熱扇便會(huì)產(chǎn)生最少噪音。
總結(jié)
集成電路的可靠性以及功能能否充分發(fā)揮在很大程度上取決于環(huán)境情況，其中以電及熱應(yīng)力的影響為最大。體積小、性能高的集成電路都有熱應(yīng)力的問(wèn)題，而且這個(gè)問(wèn)題越來(lái)越受到業(yè)界的關(guān)注。以前，被動(dòng)式的散熱方法已能徹底解決散熱問(wèn)題。但隨著閉環(huán)溫度控制漸漸成為系統(tǒng)的重要功能特色之后，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師現(xiàn)在要更深入分析各種散熱方法。我們?nèi)艉雎赃@些問(wèn)題，就不只手指頭燒傷那么小事。
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