溫度傳感器IC輕鬆解決溫度感測難題

2021-02-15 EDN電子技術設計

自集成電路出現以來，IC溫度傳感器一直是設備設計的一部分。設計人員想盡辦法減少溫度對晶片系統的影響，集成溫度傳感器已可輕鬆解決-55至200˚C溫度範圍內的大部分問題，而最新一代的溫度傳感器可以在0.76mm2的封裝內達到±0.4˚C的精度。

自進入IC設計時代，集成電路（IC）溫度傳感器不經意就成為器件設計的一部分。IC設計人員歷經波折，試圖將溫度對晶片系統的影響減到最小。峰迴路轉，一位IC設計師突然有了一個絕妙的想法：何不積極開拓利用有源電路p-n結的溫度行為，而不是局限於絞盡腦汁將其影響最小化。而將數字功能集成到同一晶片的設計師更是腦洞大開，正是他們孕育出目前的溫度傳感器IC。

集成的溫度傳感器可以輕鬆解決-55至200ºC溫度範圍內的大部分溫度感測難題。

輸入端

溫度傳感器IC的輸入是環境溫度。換句話說，封裝周圍的環境溫度會改變內部電晶體的行為（圖1）。

圖1：這一概念電路顯示了匹配的電晶體如何檢測溫度。

溫度感應設計通過巧妙的配置和計算來消除電晶體飽和電流（IS）的影響。使用恆流源（IC）以及電晶體和等同電晶體陣列之間的開關很容易控制飽和電流。

在圖1中，我們看到VBE 和VBE(N)之間的差是如何輕鬆對應溫度變化的。公式

（1）顯示了電晶體基極-發射極電壓VBE的值。

公式（ 1）

其中：

k是玻耳茲曼常數，等於1.38×10-23J/K；

q等於1.6021765×10-19C；

T是以K為單位的溫度。

公式（2）顯示了許多並聯電晶體的基極-發射極的VBE(N)值。

公式（2）

如果將電流源IC從一條引腳切換到另一條引腳，則公式（3）顯示了這兩個基極-發射極電壓之間的差。

公式（3）

通過計算，得出：

CONSTANT=k × ln(N)/q 或86.25×10-6 × ln(N)。

從概念上講，它讓你知道如何在IC級快速測量溫度。對圖1中的電路做少許改進，IC溫度感測精度可高達±0.4ºC。


輸出端

現在我們有了準確的溫度讀數，如何向外界呈現此最終數值很重要。顯示溫度數據有兩種基本方法：模擬電壓或數字值。

模擬電壓輸出非常容易讀取。使用適當的溫度感應裝置，你可以捕獲模擬信號，將其轉換為數字表示或回饋到電路中的某個點。

溫度傳感器的數字輸出能力更有趣，有許多輸出類型可選，但主要是1線、2線或3線輸出。

1線數字輸出可提供脈寬調製（PWM）的脈衝計數信號或簡單的閾值/開關信號。這兩種信號在風扇控制電路中都很有用。2線數字輸出提供I2C或SMBus信號。數字結果是內部模數轉換器的副產品。你還可以看到代表閾值溫度和可能的錯誤條件的數字輸出。3線數字輸出提供一個SPI接口。

溫度傳感器件的晶圓級封裝

每個產品都有從粗陋到精細的發展過程，溫度傳感器系列也在不斷改進。該產品系列接下來將在器件封裝的尺寸上有巨大突破。最新溫度傳感器件的外殼採用晶圓級封裝（WLP）。

1998年，桑迪亞國家實驗室和富士通開發了WLP。該封裝在切割工藝之前，已完成晶圓級製造，其組裝以標準的表面貼裝技術（SMT）實現。

這種封裝技術帶來了超小型封裝外形和低θ結-環境值。這一代溫度傳感器的尺寸使採用標準0603封裝的標準0.1μF電容相形見絀（圖2）。

圖2：WLP溫度傳感器（U1/MAX31875）尺寸比SMT的0.1μF電容（C1）小。


在飯桌上

因為新封裝尺寸小，你可以將溫度傳感器任意放置在PCB上，就像你做晚餐時撒鹽和胡椒麵一樣。最新一代的溫度傳感器可以在僅佔0.76mm2 PCB面積的封裝內實現±0.4ºC的精度。那麼，明天上什麼菜？

《電子技術設計》2018年1月刊版權所有，轉載請註明來源及連結。

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