如何為特定應用選擇溫度感測器

作者：ADI 應用經理 Mehrdad Peyvan

摘要

本文討論如何為特定應用選擇合適的溫度感測器。我們將介紹不同類型的溫度感測器及其優缺點。最後將探討遠端和本地感測技術的最新進展如何推動科技進步，進而創造出更多更先進的溫度感測器。

簡介

溫度感測器在眾多應用場景中扮演著重要角色，包括消費性電子產品、環境監測和工業加工。為確保溫度讀數準確，選擇合適的溫度感測器非常重要。市面上有各式各樣的溫度感測器，選擇最合適的溫度感測器可能並不容易。本文目的在提供指導，介紹如何為特定應用選擇合適的溫度感測器。

應用

溫度的範圍非常廣泛，確定應用要求的溫度範圍非常重要。除了溫度範圍，還要考慮精準度、功耗、尺寸限制、通訊協議（SMBus、SPI、 I²C、1-Wire^®等）和預算等要素，這些都有助於縮小最合適元件的選擇範圍。

溫度感測器類型

從技術的角度而言，目前較常用的四類溫度感測器如下：

RTD（電阻溫度檢測器）：RTD在中等溫度範圍（-200℃至+850℃）內具有卓越的精準度和穩定性。如果精準度是首要考慮因素，那麼RTD是不錯的選擇。

熱電耦：如果應用需要測量的溫度範圍非常廣泛，則通常使用熱電耦。其在高溫（-270℃至+1800℃）下的精準度較低，但能夠適應高溫情況，是高溫環境不錯的選擇。

熱敏電阻：熱敏電阻性價比高，通常用於消費性電子產品。其在有限的溫度範圍（-270℃至+1800℃）內的精準度相對更高。

基於二極體的感測器：基於二極體的感測器利用二極體兩端的電壓降與溫度的關係來測量溫度。其性價比高，溫度測量範圍有限（-55℃至+150℃），回應速度快，並且比其他三種類型的溫度感測器更精巧。

基於二極體的溫度感測器可以輕鬆地與微控制器、ADC和ASIC連接。其應用範圍非常廣泛，涵蓋了消費性電子、工業自動化、資料中心（儲存系統）、汽車以及眾多其他電子應用。

通訊

溫度感測器的輸出可以是類比電壓或數位訊號。現代溫度感測器採用數位通訊，如SMBus、SPI、 I²C和1-Wire介面，可與微控制器和其他數位元件進行簡單的通訊。1-Wire介面支援將多個感測器連接到同一條資料線。

精準度

選擇高精準度的溫度感測器非常重要，對於那些需要精準溫度讀數的應用尤為如此。為此，應選擇RTD或基於二極體的採用校準的溫度感測器。表1列出了ADI新款高精準度溫度感測器及其通訊介面和封裝。

表1.新款溫度感測器的精準度
精準度
±1°C	±0.5°C	±0.25°C	±0.1°C
		ADT7320 16接腳 4 mm ×4 mm LFCSP
MAX318251-Wire 6接腳WLP	ADT7410 I²C 8接腳 SOIC	ADT7420 I²C 16接腳 4 mm ×4 mm LFCSP
MAX31875 I²C/SMBus4接腳WLP	DS18B20 1-Wire TO-92, SOIC, μSOP	MAX31888 1-Wire 2 mm × 2 mm, μDFN	LTC2983/LTC2984 多感測器 SPI LQFP
MAX31827/MAX31828/MAX31829 I²C/SMBus 6接腳WLP	MAX31826 1-Wire 2 mm × 2 mm TDFN	MAX31889 I²C 2 mm × 2 mm, μDFN	ADT7422 I²C 16接腳 4 mm ×4 mm LFCSP

圖1為高精準度溫度感測器MAX31888示例。這是一款1-Wire高精準度、低功耗數位溫度感測器，在-20℃至+105℃範圍內的精準度達到驚人的±0.25℃，適用於精密溫度監測應用。在測量過程中，該IC消耗68 μA工作電流，解析度為16位元(0.005℃)。該感測器透過1-Wire匯流排與微控制器通訊，該匯流排僅需一根資料線（和一個接地參考）即可進行通訊。此外，該感測器可以透過資料線直接從寄生電源獲得電力，無需外部電源。MAX31888採用6接腳μDFN封裝。外部電源的電源電壓範圍為1.7 V至3.6 V。工作溫度範圍為-40℃至+125℃。

功耗和尺寸

在穿戴式裝置等電池供電的設備中，功耗和尺寸密切相關，這些都是選擇元件的關鍵考慮因素。低功耗感測器可以縮短充電所需的時間並延長電池壽命，同時保持其精準度。圖2展示了新款低功耗溫度感測器及其精準度。

MAX31875為一款精準度為±1℃的本地溫度感測器，具有 I²C/SMBus介面，其平均電源電流小於10 μA。典型應用電路如圖3所示。該產品兼具超小封裝尺寸、溫度測量精準度卓越和電源電流消耗非常低等特性，是各種裝置的理想選擇，尤其是電池供電和穿戴式裝置。相容 I²C/SMBus的序列介面接受標準的寫入位元組、讀取位元組、傳送的位元組和接收位元組命令，以讀取溫度資料並配置感測器的行為。MAX31875採用4接腳晶圓級封裝(WLP)，工作溫度範圍為-50℃至+150℃。

CPU、FPGA、ASIC等（板載熱二極體）

為了保護CPU、FPGA和ASIC等高性能IC，半導體製造商會在晶片內部整合溫度感測二極體，二極體的一端會連接外部的雙極性電晶體，二極體用於測量本地溫度，外部晶體管用於測量遠端溫度。熱敏電晶體位於IC晶片之上，因此測量精準度明顯高於其他感測技術。

ADI提供多種IC，可專門用於精準檢測熱敏二極體溫度，並將相關訊號轉換到數位形式。其中有些元件僅可測量一個熱敏二極體，但有些元件可以測量多達四個、甚至八個熱敏二極體。圖4為一些此種類型的IC，包括 MAX6654MAX6655/MAX6656、 MAX31730、 MAX31732 和MAX6581。

妥善的設計，再輔以內部和外部濾波措施，遠端二極體感測器就能廣泛應用於顯示器、時脈產生器、記憶體匯流排和PCI匯流排等存在電氣雜訊的環境中。

圖5為一個遠端二極體感測器示例。MAX31732為新款多通道溫度感測器，可監測自身溫度和多達四個外部電晶體的溫度。電阻抵消功能可補償電路板走線和外部熱敏二極體之間的高串聯電阻，而β補償可校正由低β感測電晶體引起的溫度測量誤差。

該元件提供兩個開漏、低位準有效報警輸出¯("ALARM1" )和¯("ALARM2" )，分別監測主要過溫/欠溫閾值水準。非揮發性記憶體(NVM)支援感測器在上電期間對配置暫存器進行編程，無需軟體/韌體干預。雙線式序列介面支援SMBus協定（寫入位元組、讀取位元組、傳送的位元組和接收位元組），可讀取溫度資料並對溫度閾值進行編程設定。

結論

為了選擇適當的溫度感測器，需要仔細考慮各種因素，包括應用要求、精準度、周圍條件、輸出介面、功耗和成本。透過瞭解這些因素並評估可用的方案，您可以選擇滿足特定需求並確保能在應用中準確可靠地測量溫度的溫度感測器。從長遠來看，事先投入時間和精力，認真選擇合適的溫度感測器，有助於提升系統的性能、效率和成本效益。矽基溫度感測器技術已經取得重大進展，精準度大幅提高，能夠實現非常精準的測量。而為了獲得卓越的精準度，IC設計人員已經在校準方面付出了極大的努力。