脑洞大开！温度传感器IC解决大部分温度感测难题

        自进入IC设计时代，集成电路（IC）温度传感器不经意就成为器件设计的一部分。IC设计人员历经波折，试图将温度对芯片系统的影响减到最小。峰回路转，一位IC设计师突然有了一个绝妙的想法：何不积极开拓利用有源电路p-n结的温度行为，而不是局限于绞尽脑汁将其影响最小化。而将数字功能集成到同一芯片的设计师更是脑洞大开，正是他们孕育出目前的温度传感器IC。


        集成的温度传感器可以轻松解决-55至200ºC温度范围内的大部分温度感测难题。


        输入端

        温度传感器IC的输入是环境温度。换句话说，封装周围的环境温度会改变内部晶体管的行为（图1）。


       

        图1：这一概念电路显示了匹配的晶体管如何检测温度。


        温度感应设计通过巧妙的配置和计算来消除晶体管饱和电流（IS）的影响。使用恒流源（IC）以及晶体管和等同晶体管阵列之间的开关很容易控制饱和电流。在图1中，我们看到VBE 和VBE(N)之间的差是如何轻松对应温度变化的。


        公式（1）显示了晶体管基极-发射极电压VBE的值。


       

        公式（ 1）


        其中：

        k是玻耳兹曼常数，等于1.38×10-23J/K；

        q等于1.6021765×10-19C；

        T是以K为单位的温度。


        公式（2）显示了许多并联晶体管的基极-发射极的VBE(N)值。


       

        公式（2）


        如果将电流源IC从一条引脚切换到另一条引脚，则公式（3）显示了这两个基极-发射极电压之间的差。


       

        公式（3）


        通过计算，得出：


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


        从概念上讲，它让你知道如何在IC级快速测量温度。对图1中的电路做少许改进，IC温度感测精度可高达±0.4ºC。


        输出端

        现在我们有了准确的温度读数，如何向外界呈现此最终数值很重要。显示温度数据有两种基本方法：模拟电压或数字值。

        模拟电压输出非常容易读取。使用适当的温度感应装置，你可以捕获模拟信号，将其转换为数字表示或回馈到电路中的某个点。


        温度传感器的数字输出能力更有趣，有许多输出类型可选，但主要是1线、2线或3线输出。


        1线数字输出可提供脉宽调制（PWM）的脉冲计数信号或简单的阈值/开关信号。这两种信号在风扇控制电路中都很有用。2线数字输出提供I2C或SMBus信号。数字结果是内部模数转换器的副产品。你还可以看到代表阈值温度和可能的错误条件的数字输出。3线数字输出提供一个SPI接口。


        温度传感器件的晶圆级封装

        每个产品都有从粗陋到精细的发展过程，温度传感器系列也在不断改进。该产品系列接下来将在器件封装的尺寸上有巨大突破。最新温度传感器件的外壳采用晶圆级封装（WLP）。


        1998年，桑迪亚国家实验室和富士通开发了WLP。该封装在切割工艺之前，已完成晶圆级制造，其组装以标准的表面贴装技术（SMT）实现。


        这种封装技术带来了超小型封装外形和低θ结-环境值。这一代温度传感器的尺寸使采用标准0603封装的标准0.1μF电容相形见绌（图2）。


        图2：WLP温度传感器（U1/MAX31875）尺寸比SMT的0.1μF电容（C1）小。


        在饭桌上

        因为新封装尺寸小，你可以将温度传感器任意放置在PCB上，就像你做晚餐时撒盐和胡椒面一样。最新一代的温度传感器可以在仅占0.76mm2 pcb面积的封装内实现±0.4ºC的精度。那么，明天上什么菜？