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EEPW首頁 > 模擬技術 > 設計應用含羞草myhanxiucao > 工程師溫度傳感指南—溫度傳感器設計挑戰和解決方案, 從熱敏電阻到多通道遠程傳感器IC②

目錄

本文引用地址:http://sharethedeen.com/article/202001/409504.htm

前沿:編者的消息(√)

第 1 章:溫度傳感基本原理

第 2 章:系統溫度監測

含羞草myhanxiucao第 2.1 節: 如何監測電路板溫度

第 2.2 節: 高性能處理器模溫監測


第 3 章:環境溫度監測(√)

第 3.1 節: 精確測量環境溫度的布局注意事項

第 3.2 節: 通過可擴展的實現高效的冷鏈管理

第 4 章:體溫監測 可穿戴式溫度傳感的設計挑戰


第 5 章:流體溫度監測 使用數字在熱量計中替代 RTD

第 6 章:閾值檢測 如何避免控制系統遭受熱損壞

第 7 章:溫度補償和校準

第 7.1 節: 使用高精度進行溫度補償

第 7.2 節: 校準熱監測系統的方法


編者的話

在個人電子產品、工業或醫療應用的設計中,工程師必須應對同樣的挑戰,即如何提升性能、增加功能并縮小尺寸。除了這些考慮因素外,他們還必須仔細監測溫度以確保安全并保護系統和消費者免受傷害。

眾多行業的另一個共同趨勢是需要處理來自更多傳感器的更多數據,進一步說明了溫度測量的重要性:不僅要測量系統或環境條件,還要補償其他溫度敏感元件,從而確 保傳感器和系統的精度。另外一個好處在于,有了精確的溫度監測,無需再對系統進行過度設計來補償不準確的 溫度測量,從而可以提高系統性能并降低成本。

溫度設計挑戰分為三類:

溫度監測:溫度傳感器提供有價值的數據來持續跟蹤溫度條件,并為控制系統提供反饋。此監測可以是系統溫度監測或環境溫度監測。在一些應用中,我們可以看到設計挑戰的特點是需要在控制回路中同時實現這兩種監測。這些監測包括系統溫度監測、環境溫度監測以及身體或流體溫度監測。

溫度保護:在多種應用中,一旦系統超過或低于功能溫度閾值,便需要采取措施。溫度傳感器在檢測到事先定義的條件時提供輸出警報以防止系統損壞。在不影響系統可靠性的情況下提升處理器吞吐量是可行的。系統經常過早啟動安全熱關斷,結果造成高達 5°C 甚至 10°C 的性能損失。當系統超過或低于功能溫度閾值時,工程師可以自主啟動實時保護措施。

溫度補償:溫度傳感器可以在正常工作期間隨溫度變化最大限度提高系統性能。監測和校正其他關鍵組件在發熱和冷卻時的溫漂可降低系統故障的風險。

本電子書將提供一些 TI 應用簡介,由此說明使用不同溫度傳感技術的各種應用的設計注意事項。書中的章節首先介紹主要的溫度挑戰,然后重點說明各種應用的設計注意事項,評估溫度精度和應用尺寸之間的權衡,同時討論傳感器放置方法。


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在許多應用中,環境空氣溫度監測對于控制環境條件或確保安全操作條件至關重要。準確快速地測量環境溫度 通常面臨挑戰,因為傳感器可能不會完全暴露于外部環境并可能受到系統中其他組件的自發熱影響。TI 的高精度、低功耗單通道和多通道溫度傳感器采用緊湊型封裝, 可實現更快的熱響應。

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簡介

使用表面貼裝器件來測量環境溫度可能具有挑戰性,因為來自其他高耗電電子元件的熱傳遞會影響傳感器的溫度讀數。

要精確測量環境溫度,必須采用良好的布局方法,例如了解主要的導熱路徑、隔離傳感器封裝以及將器件放置在遠離干擾熱源的位置。圖 1 顯示了一種使用這些方法的簡單恒溫器設計。

在圖 1 中,系統自發熱產生的被動氣流在溫度傳感器 A 上方吸入外部空氣。傳感器放置在遠離主要熱源(中央處理單元)的進氣口處,并經過隔熱以確保更精確的測量。

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熱輻射和 PCB 布局

必須首先了解哪些組件輻射最多的熱量以避免在熱源附近布線。圖 2 是使用 Mentor Graphics 的 FloTHERM 熱分析工具捕獲的熱感圖像,其中顯示了熱源附近空氣中的溫度分布。

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如果將組件放置在外殼內,則熱量分布可能更加集中。請記住應將溫度傳感器遠離熱源放置,從而避免在露天場景中和外殼內出現錯誤的溫度讀數。 表 1 列出了各種熱源溫度下傳感器和熱源之間的建議距離。

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如果傳感器靠近熱源,最好創建一個隔離島,并最大限度增加傳感器與熱源之間的氣隙。氣隙越大,環境溫度測量結果越好。然而,當傳感器離得更遠時,間隙不能提供額外的屏蔽。但是,間隙可以改善傳感器的熱響應時間。

圖 3 顯示切口為 0.8mm 寬時的溫度讀數大約為 38.5°C,而圖 4 顯示切口為 1.8mm 寬時的溫度讀數大約為 35.5°C。這些圖像顯示了較大的隔離間隙如何影響環境溫度讀數。

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在設計溫度傳感器的 PCB 時,采用良好的布局方法非常重要。圖 5 顯示了具有隔離島的 PCB 布局以及輪廓布線,而圖 6 顯示了一種替代設計,其中在安裝溫度傳感器 的區域周圍有穿孔。

在這兩塊小型電路板上,尺寸極小,只能部署傳感器和旁路電容器;隔離島的熱質量越小,熱響應就越好。這些設 計極大地減少了來自其他組件的熱傳遞量。

溫差

在需要更高測量精度的應用中,請考慮使用溫差設計。這種類型的設計在高溫組件旁邊增加了額外的傳感器(如 圖 1 所示),并測量傳感器 A 和 B 之間的溫差。

然而,這種設計需要關于 ΔT 與環境溫度之間相關性的模型,且該模型將根據系統應用而變化。溫差設計會考慮自發熱的影響,從而提供更準確的算法來估算環境溫度。

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器件建議

TMP112 和 TMP116 是專為諸如環境監測和恒溫控制之類的高精度、低功耗應用而設計的數字溫度傳感器。TMP112 在 0°C 至 65°C 范圍內的精度為 ±0.5°C,而 TMP116 在 -10°C 至 85°C 范圍內的精度為 ±0.2°C。

這兩款溫度傳感器都具有高線性度,無需校準,并具有可 編程警報功能。TMP112 采用緊湊的 1.60mm x 1.20mm 小外形晶體管 (SOT)-563 封裝,而 TMP116 采用 2mm x 2mm 超薄小外形無引線 (WSON) 封裝。

為確保最佳性能和器件使用壽命,表 2 列出了額外的布局建議。


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關鍵詞: 溫度傳感器 概述
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