分布式溫度檢測提高可靠性

具有多個(gè)“熱點(diǎn)”的系統(tǒng)通常需要多個(gè)溫度傳感器或溫度開關(guān)。本應(yīng)用筆記討論了在此類系統(tǒng)中使用具有模擬、數(shù)字和PWM接口的溫度傳感器。

為了防止損壞或性能損失，許多電子系統(tǒng)都包括用于監(jiān)測熱條件的溫度傳感器。具有多個(gè)潛在“熱點(diǎn)”的系統(tǒng)需要多個(gè)分布式溫度傳感器。

圖 1 說明了機(jī)箱的概念，其中三個(gè)位置可能會(huì)產(chǎn)生熱故障。其中兩種是高速芯片，如微處理器 （μP）、DSP 或圖形控制器，其工作功率水平能夠產(chǎn)生危險(xiǎn)溫度。另一個(gè)熱發(fā)生器是安裝在機(jī)箱后部散熱器上的功率設(shè)備。

圖1.這種分布式傳感系統(tǒng)監(jiān)測散熱器、電路板上的兩個(gè)IC和進(jìn)氣口的溫度。

可以在每個(gè)位置放置溫度傳感器，以單獨(dú)監(jiān)測每個(gè)溫度。如果任何溫度超過其安全工作范圍，系統(tǒng)可以通過打開冷卻風(fēng)扇、降低時(shí)鐘速度或禁用系統(tǒng)電源來避免出現(xiàn)問題。為了驗(yàn)證風(fēng)扇是否正常工作，以及外部環(huán)境空氣是否足夠冷以將內(nèi)部溫度保持在安全范圍內(nèi)，進(jìn)氣口的第四個(gè)傳感器監(jiān)測來自冷卻風(fēng)扇的傳入空氣。

大多數(shù)溫度傳感器IC感測自己的管芯溫度，其管芯溫度與封裝引線的溫度幾乎相同。這種IC放置在非常靠近熱設(shè)備的位置，可以為熱源提供良好的溫度指示。由于熱源比安裝它的電路板溫暖，因此測量的溫度將略低于源的溫度。

為了盡量減少這種溫差，請將傳感器安裝在盡可能靠近熱源的地方。將傳感器和熱源在其接地引腳和（如果可行）電源引腳處連接在一起。確保銅面積足夠大，以便進(jìn)行良好的傳熱。一些傳感器封裝具有卡舌，可通過螺栓輕松安裝到其他物體上。這種封裝提供了從安裝片到芯片的出色熱路徑，使其可用于測量散熱器或機(jī)箱溫度。

模擬與數(shù)字傳輸

一旦將溫度傳感器放置在適當(dāng)?shù)奈恢?，其溫度信息必須傳達(dá)到使用點(diǎn)，通常是微控制器（μC）。所采用的方法首先取決于感測溫度的目的。如果您只需要不時(shí)知道每個(gè)位置的溫度，一種方法是部署模擬溫度傳感器（IC或熱敏電阻/電阻組合），并使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）定期測量其輸出電壓。ADC可以是獨(dú)立器件，也可以集成在μC上。此類ADC通常包括多路復(fù)用器（多路復(fù)用器）。如果沒有，則必須添加一個(gè)（圖2）。

伊古雷 2.如果ADC位于μC上，并且多路復(fù)用器具有足夠的模擬輸入通道來容納系統(tǒng)中的所有傳感器，則這種簡單的分布式溫度檢測方法具有成本效益。

如果傳感器信號線較長且系統(tǒng)產(chǎn)生大量電噪聲，則靈敏度相對較高的傳感器將最大限度地減少噪聲拾取并提高精度。所示傳感器IC的輸出靈敏度為25mV/°C，足以在大多數(shù)應(yīng)用中使用低分辨率ADC。對于具有寬溫度范圍的應(yīng)用，線性溫度傳感器 IC 通過在整個(gè)范圍內(nèi)產(chǎn)生一致的溫度分辨率，比熱敏電阻具有主要優(yōu)勢。

有時(shí)，μC缺乏足夠的模擬輸入來容納所有系統(tǒng)傳感器和其他模擬信號。在這種情況下，請考慮以其他方式將溫度傳達(dá)給μC的傳感器。

包含ADC和標(biāo)準(zhǔn)串行接口的溫度傳感器提供了一種在模擬輸入不足時(shí)檢測多個(gè)溫度的簡便方法。例如，MAX6625使用2線接口與μC通信，即I2C?/SMBus? 兼容。它有一個(gè)引腳，通過接地、電源電壓、SDA 引腳或 SCL 引腳，將傳感器的地址設(shè)置為四個(gè)值之一。一條6625線總線最多可連接2個(gè)MAX3（圖<>）。

圖3.位于不同位置的多達(dá)6625個(gè)MAX2可以通過在ADD引腳上設(shè)置不同的地址來共享一條1617線總線。如有必要，可以再增加1619個(gè)MAX12或MAX<>，在總線上總共產(chǎn)生<>個(gè)熱監(jiān)測位置。

通過添加具有不同地址的傳感器，您可以容納更多的數(shù)字溫度傳感器。例如，在四個(gè)MAX1617中可以增加多達(dá)6625個(gè)MAX6625。由于MAX<>系統(tǒng)連接是數(shù)字連接，因此當(dāng)傳感器相距較遠(yuǎn)或產(chǎn)生大量電噪聲的系統(tǒng)中時(shí)，它是模擬輸出傳感器的絕佳替代方案。

MAX6625連續(xù)測量溫度，每8ms更新一次133位加符號輸出。主機(jī)處理器可以隨時(shí)通過 2 線總線讀取溫度。當(dāng)溫度超過主機(jī)編程門限時(shí)，MAX6625可在漏極開路輸出（O.T.端）上產(chǎn)生中斷。該比較器功能的遲滯也可以編程，使MAX6625能夠忽略小的溫度變化。為了監(jiān)測多個(gè)位置的潛在熱問題，而主機(jī)無需持續(xù)讀取數(shù)據(jù)，請使用公共上拉電阻將MAX6625的中斷線連接到單條走線上。MAX6625的纖巧型6引腳SOT23封裝，即使在緊湊封裝的電路板上，也能靠近熱源。

標(biāo)準(zhǔn)串行接口不是多個(gè)傳感器傳輸數(shù)據(jù)的唯一方式。例如，MAX6575產(chǎn)生邏輯輸出，其延時(shí)與溫度成正比。簡單的基于延時(shí)多路復(fù)用方案，可將多達(dá)6575個(gè)MAX<>連接至單個(gè)μC I/O引腳。

圖 4 說明了該技術(shù)。多達(dá)6575個(gè)MAX1通過一條I/O線連接到μC。μC 通過將該線拉低至少 6575μs 來讀取溫度。釋放I/O線后，MAX5將I/O線拉低，保持低電平一段時(shí)間與絕對溫度（6575μs/°K）成比例，然后釋放。μC和MAX5啟動(dòng)的高低轉(zhuǎn)換之間的時(shí)間間隔與絕對溫度成正比，引腳可編程為20、40、80或6575μs/°K （MAX160L），或320、480、640或6575μs/°K （MAX<>H）。借助μC的內(nèi)部計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，可以將多達(dá)<>個(gè)傳感器放置在不同的位置，所有傳感器均由一條I / O線讀取。這種技術(shù)提供了出色的噪聲抑制，因?yàn)殡娫肼晫^渡邊緣的任何偏斜都會(huì)被相對較長的時(shí)間延遲所掩蓋。

圖4.使用時(shí)間延遲 為了對溫度信息進(jìn)行編碼，MAX6575可以在μC處將多達(dá)<>個(gè)溫度傳輸?shù)絾蝹€(gè)數(shù)字I/O引腳。

對于某些應(yīng)用，通過地址（MAX6625）或時(shí)間延遲（MAX6575）使多個(gè)傳感器唯一性是沒有幫助的。例如，將多個(gè)相同的卡插入背板上的連接器的卡架不能具有唯一的傳感器地址或時(shí)間延遲選擇，因?yàn)槟仨毮軌蛴萌魏纹渌ㄌ鎿Q任何卡。

MAX6575通過共享多個(gè)類似傳感器的輸出，可以監(jiān)視多個(gè)可互換卡。其延時(shí)輸出允許您測量最熱和最冷卡的溫度（圖 5）。本電路與圖4相同，不同之處在于所有MAX6575L都設(shè)置為最短的可用時(shí)延（引腳在TS0 = TS1 = GND）。因此，MAX6575L將I/O線拉低（T1）之前的延遲和保持I/O低電平的間隔均等于5Tμs，其中T是以°K為單位的溫度。

圖5.即使設(shè)置了相同的延時(shí)來測量可互換卡的溫度，連接到一條I/O線的多個(gè)MAX6575也可以指示系統(tǒng)中最冷和最熱板的溫度。

如圖6575所示將多個(gè)MAX4L連接在一起時(shí)，溫度最低的傳感器將首先將I/O拉低。該動(dòng)作產(chǎn)生的T1值與最冷MAX6575的溫度成正比。最熱的MAX6575將在距離啟動(dòng)脈沖下降沿2Tμs后最后一個(gè)釋放I/O（時(shí)間T10）。通過測量T1和T2，μC可以計(jì)算最熱和最冷卡的溫度。

熱敏開關(guān)監(jiān)控閾值違規(guī)

如果只需要指示卡溫度超過其閾值，也許是為了打開風(fēng)扇，MAX6501系列器件提供了一個(gè)簡單的解決方案。MAX6501“熱敏開關(guān)”為溫度比較器，具有工廠設(shè)置的門限，在-10°C至+45°C范圍內(nèi)以115°C為增量。 當(dāng)管芯溫度超過此預(yù)設(shè)閾值時(shí)，其漏極開路輸出變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài)。

例如，在卡架中，每張卡包含一個(gè)或多個(gè)MAX6501，所有MAX6501輸出連接到公共輸出線。如果任何卡超過其溫度限制，它將輸出線拉低，打開風(fēng)扇或啟動(dòng)其他操作以降低卡的溫度（圖6）。由于漏極開路輸出連接在一起，當(dāng)任何卡高于其跳變溫度時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生“過溫”信號。這種布置還可以在單個(gè)板上監(jiān)控多個(gè)溫度。MAX6501采用5引腳SOT23封裝，適用于板載應(yīng)用，7引腳TO-220封裝，適用于需要安裝到散熱器或機(jī)箱的應(yīng)用。

圖6.當(dāng)單獨(dú)的地址不切實(shí)際時(shí)，例如在具有多個(gè)可互換卡的系統(tǒng)中，可以使用MAX6501等熱比較器監(jiān)測多個(gè)溫度。公共 THERM 節(jié)點(diǎn)上的“低”表示至少一張卡已超過其閾值溫度。

遠(yuǎn)程結(jié)傳感器簡化設(shè)計(jì)

到目前為止討論的傳感器測量自己的溫度。另一類傳感器測量遠(yuǎn)程PN結(jié)的溫度，該結(jié)可以是分立晶體管的一部分，也可以是高速μP等高功率IC的一部分。這種布置允許在IC上進(jìn)行直接溫度測量，只有在異常條件下（例如氣路堵塞）才可能遇到熱問題。遠(yuǎn)端結(jié)溫傳感器（MAX1617/MAX1619）用于許多系統(tǒng)。它們通過強(qiáng)制兩個(gè)不同的電流電平通過檢測結(jié)并測量每種情況下的電壓來工作。由兩個(gè)電流引起的正向電壓差與絕對溫度成正比。

在具有多個(gè)高速、高功率芯片（如多個(gè)處理器）的系統(tǒng)中，使用多個(gè)遠(yuǎn)程結(jié)點(diǎn)傳感器的替代方法是使用單個(gè)芯片來測量多個(gè)遠(yuǎn)程結(jié)點(diǎn)（圖 7）。圖7所示的單個(gè)IC （MAX1668）測量四個(gè)外部結(jié)的溫度：兩個(gè)μP、一個(gè)高性能圖形控制器和一個(gè)分立的npn晶體管，用于檢測附近另一個(gè)發(fā)熱IC的溫度。除了這四個(gè)遠(yuǎn)端結(jié)點(diǎn)外，MAX1668還測量自身的溫度，以指示本地PCB上的條件。

圖7.除了自身的管芯溫度外，該多結(jié)傳感器還可測量四個(gè)外部P-N結(jié)的溫度。

MAX1668作為監(jiān)測多種溫度的單IC實(shí)現(xiàn)更高效的設(shè)計(jì)。由于主控制器位于單個(gè)地址，而不是單獨(dú)傳感器芯片所需的多個(gè)地址，因此主控制器可以更輕松地讀取多個(gè)溫度或識別故障位置。共享所需模擬信號調(diào)理電路的多個(gè)測量通道還可以降低系統(tǒng)的成本和尺寸。MAX1668采用16引腳QSOP封裝，常見于大多數(shù)遠(yuǎn)端結(jié)傳感器。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員關(guān)心的一個(gè)問題是遠(yuǎn)程交匯點(diǎn)傳感器與其目標(biāo)交匯點(diǎn)之間的最大可用距離。然而，影響這個(gè)最大值的變量如此之多，以至于單個(gè)數(shù)字答案毫無意義。在電氣安靜的環(huán)境中，如果串聯(lián)電阻低于一歐姆或兩歐姆，則遠(yuǎn)程結(jié)可能離傳感器很遠(yuǎn)（長達(dá)一米）。隨著EMI的增加，必須減小該走線長度。大多數(shù)遠(yuǎn)端結(jié)傳感器具有良好的噪聲抑制能力，但如果走線上的噪聲拾取大到足以影響檢測結(jié)的正向電壓，則測得的溫度將出現(xiàn)誤差。對于高速系統(tǒng)，謹(jǐn)慎的方法是將走線長度限制在幾英寸。

審核編輯：郭婷