廉价与低功耗IC温度传感器更适应便携式设备的要求

在便携式设计中，有多种温度探测技术可供设计者选择。热敏电阻和硅 IC 温度传感器是常用的两种。对不同的应用，各种传感器都有自己的优势和劣势。但在便携式应用方面，IC 传感器具有一些重要的优点，例如低成本、小体积和低功耗等。

IC 传感器功耗更低
降低便携式设备功耗的一个方法是：在设计中使用 IC 温度传感器进行热管理，但这一方法还不为人们所熟知。
在所有温度传感器中，IC 传感器的线性度，在整个温度变化范围内，它的输出电压变化。虽然 IC 传感器也离不开电源，但便携式设计中所有电路都需要供电。所以，IC 传感器可以由电源供电，也可以安装在电源上(感热)，就是说，可以“背”在电源上。
热敏电阻的封装形式确实比较多，从探头式到串珠式，因此，它能提供比 IC 传感器更多的封装选择。然而，IC 传感器有和热敏电阻相当的表面安装封装形式。例如，美国国家半导体的 LM20 是一个模拟输出的温度传感器，它就有 SC70 和 微型 SMD 封装形式，也有无封装的裸片。

不需要为而牺牲功耗指标
IC 传感器的线性度是一个引人注目的特点。但是，比率偏置的热敏电阻有一个优点(见图1)，即不需要在系统中设置准确或稳定的基准电压，因为基准电压引入的误差可以被抵销。
在没有比率偏置的情况下，例如 ADC 的电压基准做在一片 ASIC 内部，而不是通过引脚从外部提供，此时采用 LM20 这样的 IC 传感器就可以实现更高的整体系统。
举例来说，日本村田公司的热敏电阻 NTH5G10P/16P33B103F 在 25℃ 时为 1%，看起来它比 LM20 在 25℃ 时的 ±1.5℃ 要高。但对两种系统的整体作个分析，一种是采用热敏电阻的测量系统，另一种是使用 IC 传感器的系统。评估中使用了 8 位和 10 位 ADC 来检查整体系统。这些包括：分辨误差；由 ADC 自身导致的误差，如增益、偏移、非线性和补偿表等。
首先，必须为热敏电阻系统中使用的上拉电阻选定一个阻值。图2显示的是将两个不同阻值的上拉电阻(见图1热敏电阻电路)送入 ADC 输入端的电压变化曲线。当使用 97.6kW电阻时，可以看到 ADC 的输入电压随温度的升高呈对数下降。97.6kW电阻可以使功耗为。此时它只吸入 30mA电流，使热敏电阻在保持指定的时，不会超出功率范围。
虽然低阻值电阻可以增加热敏电阻的测量温度范围，但功耗却明显增加了。在本例中，使用 4.7kW上拉电阻增加了高温时曲线的斜率，因此能提供更高的和线性度。但是，此时热敏电阻要消耗 600mA电流，是同等条件下 IC 温度传感器的60倍，这使整个电路的功耗大幅上升，造成热敏电阻自发热。终导致温度读数的升高，本例中大约高 0.2~0.3℃。
下面将进行整体的比较，一方是使用 IC 传感器的测量系统，另一方则是使用 97.6kW上拉电阻的热敏电阻系统，两者均先连接一个8位ADC，然后接一个10位 ADC。
整体系统的测量包括如下内容：ADC 的量化误差，以及偏移、增益和线性误差。
在整个温度范围内，使用 LM20 的系统整体保持不变。因为 LM20 的输出斜率是负值，这样，随着温度的升高，基准电压引入的增益误差在整体中所占比例越来越小。因此，LM20 的性能曲线略向下倾斜。
在温度低于 50℃ 时，热敏电阻系统显示出良好的，但一旦超过 50℃，其以 ±20℃ 10 倍的速度下降。而 IC 传感器系统的下降则不超过 ±5℃。
图3显示了连接 10 位 ADC时的曲线图。随着 ADC 从 8 位提高到 10 位，由于 ADC 的量化误差减小，系统的整体误差也减少了。热敏电阻从提高的中获益多，因为它是比率式的，而 LM20 不是。现在对 ADC 的提高影响的就是基准电压误差了。
测试使用了一个±1% 的基准电压。提高基准电压的，可以使 LM20 系统的接近于数据表中的规格(30℃ 时 ±1.5℃)。此外，由于 LM20 的输出斜率是负的，随着温度的升高，由基准电压引入的增益误差对整体的影响较小。
LM20 IC 传感器的供电电流只有 10mA，很适合便携式应用。但是，为了将供电电流降低到程度，LM20 把输出缓冲带宽做到。因此，如果传感器驱动一个带采样数据比较器输入的 ADC(大多数 CMOS ASIC 都是这种形式)，则在采样期间，这类 ADC 需要传感器提供高峰值电流。LM20 不能直接提供这种峰值输出电流，而且在采集窗口开放期间，它的输出电压不能保持稳定。因此，必须在电路中增加一个 0.1mF 的储能电容，当 ADC 对模拟输入进行采样时，由这个电容提供所需电流。
这种方法减轻了对 LM20 输出级的要求，LM20 只需要在下一个采样时间到来以前，将电容充电到适当的电压。该电容的取值要凭经验来选定，因为在采样期间，不同厂家 ADC 的输入级电容差别很大。
除了比其它类型传感器耗电低(相同下)，IC 传感器还有一些其它优点。首先，它是廉价的传感器。其次，可以快速地将传感器设计到应用电路中去，因为它对外部信号调节电路的要求，甚至可以不用。
因此，当考虑到便携式设备的电池寿命，设计上要求低电流，空间又相当紧张时，就应该采用 IC 温度传感器。如果加上系统成本这个重要因素，IC 传感器就更是必然的选择了。■