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為系統(tǒng)定制的溫度傳感器及其電路設計方案

      傳統(tǒng)的溫度傳感器只能提供模擬輸出,如:電熱調節(jié)器、RTDs、熱電偶以及后來出現(xiàn)的硅溫度傳感器。而在大多數(shù)應用中,這些模擬輸出的溫度傳感器的輸出端需要配置一個比較器、ADC或放大器,以產生有效的信號輸出。

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      隨著集成工藝的發(fā)展,溫度傳感器和數(shù)字接口已能夠集成在單片IC內,這些IC被應用于多種產品,從最簡單的溫度開關(當達到或超過特殊的溫度門限時產生信號)到那些可編程溫度報警以及提供遠程和本地溫度數(shù)字量的復雜功能器件,目前的傳感器并不是簡單地在模擬輸出和數(shù)字輸出之間來選擇,而是具有多種選擇類型,以滿足各種系統(tǒng)的需要。
1、溫度傳感器的分類
    圖1列出了四種類型的溫度傳感器。圖1(a)是理想的模擬輸出傳感器,它的輸出電壓是溫度的線性函數(shù)。圖1(b)是帶數(shù)字I/O的傳感器,它可以直接連接到微控制器,溫度以數(shù)字形式通過串行總線注入微控制器。在同一總線上,控制指令可以從微處理器傳送給溫度傳感器,通常用來設置與ALERT數(shù)字輸出相對應的溫度門限值。當超過溫度門限值時,“ALERT”將中斷微控制器或提供風扇控制。圖1(c)是增強型模擬傳感器。“增強型模擬”傳感器具備各種類型的數(shù)字輸出。當超出特殊溫度的時候,數(shù)字輸出開關的狀態(tài)即發(fā)生改變?!霸鰪姟敝皇窃谀M溫度傳感器的基礎上增加了比較器和電壓基準。其它結構的“增強型模擬”溫度傳感器也可將溫度轉換為延遲時間或用方波的周期或頻率表示。圖1(d)為比較復雜的集成溫度傳感器即系統(tǒng)監(jiān)控器。該類芯片除了能提供數(shù)字I/O接口功能之外,還可監(jiān)控系統(tǒng)電源電壓、提供過壓和欠壓報警、通過I/O總線設置報警域值等,有時也包含風扇監(jiān)控和控制功能。
2、模擬輸出溫度傳感器
    電熱調節(jié)器和硅溫度傳感器被廣泛地使用在模擬輸出溫度傳感器中。圖2說明了電壓和溫度成線性關系的必要性,與電熱調節(jié)器相比,硅溫度傳感器是更好的選擇,但在比較狹窄的溫度范圍內,電熱調節(jié)器也能提供合理的線性度和靈敏度。
    硅溫度傳感器可以有不同的輸出刻度和偏移量。例如,有些硅傳感器的傳輸函數(shù)正比于絕對溫度K,有些則正比于攝氏溫度℃或華氏溫度。一些正比于攝氏溫度的芯片在使用單電源電壓時也能用于檢測負溫。
  在大多數(shù)應用中,這些器件的輸出被送至比較器或模數(shù)轉換器,以將溫度數(shù)據(jù)轉換為數(shù)字格式。然而盡管需要附加器件,電熱調節(jié)器和硅溫度傳感器以它的低價格和使用簡單的優(yōu)勢繼續(xù)為大眾所采用。

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3、數(shù)字I/O溫度傳感器

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      大約五年以前,一種新的溫度傳感器類型被引進。這些器件包含數(shù)字接口,允許和微控制器通信,這些接口通常采用I2C或SMBus串行總線,SPI也是一種通用的總線方式。除了將溫度送至微控制器之外,接口也可以從微控制器接收指令,通常是設置溫度檢測門限,如果溫度超出檢測門限,溫度傳感器將激活數(shù)字信號以中斷微控制器,進而由微控制器進一步調整風扇速度或減慢微處理器速度,從而使溫度處于正  常范圍。

      這種類型的器件具備不同特點,目前常用的有遠程溫度傳感器。圖3是一個用戶可編程的溫度傳感器通過遠程CPU的內部PN結來監(jiān)控CPU溫度的CPU監(jiān)控電路。多數(shù)高性能CPU需要通過遠程溫度傳感器進行監(jiān)測,CPU內部包括用于溫度測量的晶體管。對于不帶有內置晶體管的系統(tǒng),利用一個分立的晶體管可以實現(xiàn)同樣的功能。在圖3電路中,當測量 溫度超出任何一個高溫或者低溫門限值時,MAX1618即產生中斷信號,溫度門限值通過SMBus總線經CPU傳送給MAX161。在圖4電路中,MAX1668可以同時監(jiān)控四個P-N結和其自身的溫度。因為MAX1668功耗很低,因此它的內部溫度接近于環(huán)境溫度。測量環(huán)境溫度可以給系統(tǒng)提供一個風扇是否正常運行的狀態(tài)指示。

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      利用圖5所示電路可以監(jiān)控遠程溫度以控制風扇。使用它可以選擇兩種風扇控制方式。即PWM方式和線性控制方式,在PWM方式下,微控制器用來控制風扇速度以作為測量溫度的函數(shù),它是通過改變送給風扇信號的占空比來實現(xiàn)的。這種方式的風扇控制比線性控制方式能節(jié)省大量的功率消耗。因為有些風扇采用PWM信號控制時會產生噪聲,而線性控制方式則沒有,因此可根據(jù)系統(tǒng)需要選擇控制方式。MAX16690還可提供ALERT報警信號,當溫度超出設定值時中斷微控制器。另外,通過OVERT輸出端還可提供一個安全控制模式,ALERT信號將失去作用,此時,當溫度上升超出規(guī)定的門限時,OVERT將變?yōu)橛行?,這時,它可以不通過微控制器而直接控制電路的動作,如直接關閉系統(tǒng)電源以防止系統(tǒng)損壞等。

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      數(shù)字I/O類的集成溫度傳感器普遍應用在服務器、電池組和硬盤驅動器中。為嗇服務器的可靠性往往需要監(jiān)控許多點的溫度:如母板,CPU內核、圖像加速器和硬盤驅動器等其它發(fā)熱組件。硬盤驅動器的讀錯誤在溫度達到極限時會大大增加,同時,硬盤的平均無故障時間通過溫度控制也可以有效的改善。通過在系統(tǒng)內部測量溫度還能控制馬達的速度,以提高其可靠性和性能。為保證電池組的安全使用,通常也會將溫度傳感器與電池組安裝在一起,以優(yōu)化充電并延長電池壽命。