摘要

本文討論如何為特定應(yīng)用選擇合適的溫度傳感器。我們將介紹不同類型的溫度傳感器及其優(yōu)缺點。最后，我們將探討遠程和本地檢測技術(shù)的最新進展如何推動科技進步，從而創(chuàng)造出更多更先進的溫度傳感器。

簡介

溫度傳感器在眾多應(yīng)用場景中扮演著重要角色，包括消費電子產(chǎn)品、環(huán)境監(jiān)測和工業(yè)加工。為確保溫度讀數(shù)準確，選擇合適的溫度傳感器至關(guān)重要。市場上有各種各樣的溫度傳感器，選擇最合適的溫度傳感器可能并不容易。本文旨在提供指導，介紹如何為特定應(yīng)用選擇合適的溫度傳感器。

應(yīng)用

溫度的范圍非常廣泛，確定應(yīng)用要求的溫度范圍非常重要。除了溫度范圍，我們還要考慮準確度、功耗、尺寸限制、通信協(xié)議（SMBus、SPI、I2C、1-Wire®等）和預算等要素，這些都有助于縮小最合適器件的選擇范圍。

溫度傳感器類型

從技術(shù)上講，目前較常用的四類溫度傳感器如下：

RTD（電阻溫度檢測器）：RTD在中等溫度范圍（-200℃至+850℃）內(nèi)具有出色的準確度和穩(wěn)定性。如果準確度是首要考慮因素，那么RTD是不錯的選擇。

熱電偶：如果應(yīng)用需要測量的溫度范圍非常寬泛，則通常使用熱電偶。它們在高溫（-270℃至+1800℃）下的準確度較低，但能夠適應(yīng)高溫情況，是高溫環(huán)境的不錯之選。

熱敏電阻：熱敏電阻性價比高，通常用于消費電子產(chǎn)品。它們在有限的溫度范圍（-270℃至+1800℃）內(nèi)的準確度相對較好。

基于二極管的傳感器：基于二極管的傳感器利用二極管兩端的電壓降與溫度的關(guān)系來測量溫度。它們性價比高，溫度測量范圍有限（-55℃至+150℃），響應(yīng)速度快，并且比其他三種類型的溫度傳感器都要小。

基于二極管的溫度傳感器可以輕松地與微控制器、ADC和ASIC連接。它們的應(yīng)用范圍非常廣泛，涵蓋了消費電子、工業(yè)自動化、數(shù)據(jù)中心（存儲系統(tǒng)）、汽車以及眾多其他電子應(yīng)用。

通信

溫度傳感器的輸出可以是模擬電壓或數(shù)字信號?，F(xiàn)代溫度傳感器采用數(shù)字通信，如SMBus、SPI、I2C和1-Wire接口，可與微控制器和其他數(shù)字器件進行簡單的通信。1-Wire接口支持將多個傳感器連接到同一條數(shù)據(jù)線。

圖1.MAX31888典型應(yīng)用電路

準確度

選擇高準確度的溫度傳感器至關(guān)重要，對于那些需要精確溫度讀數(shù)的應(yīng)用尤為如此。為此，應(yīng)選擇RTD或基于二極管的采用校準的溫度傳感器。表1列出了ADI新款高準確度溫度傳感器及其通信接口和封裝。

圖1為高準確度溫度傳感器MAX31888示例。這是一款1-Wire高準確度、低功耗數(shù)字溫度傳感器，在-20℃至+105℃范圍內(nèi)的準確度達到驚人的±0.25℃，適用于精密溫度監(jiān)測應(yīng)用。在測量過程中，該IC消耗68 μA工作電流，分辨率為16位(0.005℃)。該傳感器通過1-Wire總線與微控制器通信，該總線僅需一根數(shù)據(jù)線（和一個接地參考）即可進行通信。此外，該傳感器可以通過數(shù)據(jù)線直接從寄生電源獲得電力，無需外部電源。MAX31888采用6引腳μDFN封裝。外部電源的電源電壓范圍為1.7 V至3.6 V。工作溫度范圍為-40℃至+125℃。

功耗和尺寸

在可穿戴設(shè)備等電池供電的設(shè)備中，功耗和尺寸密切相關(guān)，這些都是選擇器件的關(guān)鍵考慮因素。低功耗傳感器可以縮短充電所需的時間并延長電池壽命，同時保持其準確度。圖2展示了新款低功耗溫度傳感器及其準確度。

圖2.低功耗溫度傳感器與準確度

MAX31875是一款準確度為±1℃的本地溫度傳感器，帶有I2C/SMBus接口，其平均電源電流小于10 μA。典型應(yīng)用電路如圖3所示。該產(chǎn)品兼具超小封裝尺寸、溫度測量準確度出色和電源電流消耗非常低等特性，是各種設(shè)備的理想選擇，尤其是電池供電和可穿戴設(shè)備。兼容I2C/SMBus的串行接口接受標準的寫入字節(jié)、讀取字節(jié)、發(fā)送字節(jié)和接收字節(jié)命令，以讀取溫度數(shù)據(jù)并配置傳感器的行為。MAX31875采用4引腳晶圓級封裝(WLP)，工作溫度范圍為-50℃至+150℃。

圖3.MAX31875典型應(yīng)用電路

CPU、FPGA、ASIC等（帶片上熱敏二極管）

為了保護CPU、FPGA和ASIC等高性能IC，半導體制造商會在芯片內(nèi)部集成溫度檢測二極管，二極管的一端會連接外部的雙極性晶體管，二極管用于測量本地溫度，外部晶體管用于測量遠端溫度。熱敏晶體管位于IC裸片之上，因此測量準確度明顯高于其他檢測技術(shù)。

ADI提供多種IC，可專門用于精確檢測熱敏二極管溫度，并將相關(guān)信號轉(zhuǎn)換到數(shù)字形式。其中有些器件僅測量一個熱敏二極管，但有些器件可以測量多達四個甚至八個熱敏二極管。圖4為一些這種類型的IC，包括MAX6654、MAX6655/MAX6656、MAX31730、MAX31732和MAX6581。

圖4.遠端/本地多通道溫度傳感器

妥當?shù)脑O(shè)計，再輔以內(nèi)部和外部濾波措施，遠端二極管傳感器就能廣泛應(yīng)用于顯示器、時鐘發(fā)生器、內(nèi)存總線和PCI總線等存在電氣噪聲的環(huán)境中。

圖5為一個遠程二極管傳感器示例。MAX31732是新款多通道溫度傳感器，可監(jiān)測自身溫度和多達四個外部晶體管的溫度。電阻抵消功能可補償電路板走線和外部熱敏二極管之間的高串聯(lián)電阻，而β補償可校正由低β檢測晶體管引起的溫度測量誤差。

該器件提供兩個開漏、低電平有效報警輸出和，分別監(jiān)測主要過溫/欠溫閾值水平。非易失性存儲器(NVM)支持傳感器在上電期間對配置寄存器進行編程，無需軟件/固件干預。雙線式串行接口支持SMBus協(xié)議（寫入字節(jié)、讀取字節(jié)、發(fā)送字節(jié)和接收字節(jié)），可讀取溫度數(shù)據(jù)并對溫度閾值進行編程設(shè)置。

圖5.MAX31732典型應(yīng)用電路

結(jié)論

為了選擇適當?shù)臏囟葌鞲衅?，需要仔細考慮各種因素，包括應(yīng)用要求、準確度、周圍條件、輸出接口、功耗和成本。通過了解這些因素并評估可用的方案，您可以選擇滿足特定需求并確保能在應(yīng)用中準確可靠地測量溫度的溫度傳感器。從長遠來看，事先投入時間和精力，認真選擇合適的溫度傳感器，有助于提升系統(tǒng)的性能、效率和成本效益。硅基溫度傳感器技術(shù)已經(jīng)取得重大進展，準確度大幅提高，能夠?qū)崿F(xiàn)非常精準的測量。為了獲得出色的準確度，IC設(shè)計人員在校準方面付出了巨大的努力。