溫度是一個模擬量，但數(shù)字系統(tǒng)通常使用溫度來實現(xiàn)測量、控制和保護功能。如果您應(yīng)用正確的技術(shù)和組件，將模擬溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息將不困難。本應(yīng)用筆記討論熱比較器、PWM輸出溫度傳感器和遠端二極管（或熱二極管）溫度傳感器。

溫度是一個模擬量，但數(shù)字系統(tǒng)通常使用溫度來實現(xiàn)測量、控制和保護功能。如果您應(yīng)用正確的技術(shù)和組件，將模擬溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息將不困難。

使用微控制器（μC）讀取溫度在概念上很簡單。μC 讀取由熱敏電阻分壓器、模擬輸出溫度傳感器或其他模擬溫度傳感器驅(qū)動的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 （ADC） 的輸出代碼（圖 1）。某些控制器內(nèi)置的ADC可以簡化這種設(shè)計。ADC需要基準(zhǔn)電壓，該電壓可由外部器件產(chǎn)生。例如，熱敏電阻傳感器的基準(zhǔn)電壓通常與施加在電阻-熱敏電阻分壓器頂部的基準(zhǔn)電壓相同。但是，這些系統(tǒng)可能會出現(xiàn)以下并發(fā)癥：

傳感器的輸出電壓范圍明顯小于ADC的輸入電壓范圍。用于此目的的典型ADC可能具有8位分辨率和2.5V基準(zhǔn)電壓，通常相當(dāng)于輸入電壓范圍。如果傳感器在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)的最大輸出僅為1.25V，則有效分辨率降至7位。要實現(xiàn)8位分辨率，可通過外部運算放大器增加增益或降低ADC的基準(zhǔn)電壓（這可能會降低某些ADC的精度）。

誤差預(yù)算緊張。將熱敏電阻-電阻組合或模擬傳感器器件的誤差與ADC提供的誤差相結(jié)合，放大器失調(diào)電壓、增益設(shè)置電阻的容差和基準(zhǔn)電壓源誤差可能超出系統(tǒng)所能承受的誤差。

您想要一個線性溫度代碼傳遞函數(shù)，并且您正在使用熱敏電阻。 熱敏電阻的傳遞函數(shù)是非常非線性的，但在許多應(yīng)用所需的窄溫度范圍內(nèi)，它可以足夠線性。您可以使用查找表來補償非線性，但此方法需要可能不可用的資源。

ADC輸入有限。 如果要測量的溫度數(shù)量超過可用的ADC輸入數(shù)量，則可能需要添加多路復(fù)用器，這將增加成本和開發(fā)時間。

μC I/O 引腳的數(shù)量有限。 這對于內(nèi)部ADC來說不是問題，但外部串行ADC將需要2到4個I/O引腳作為μC的接口。

圖1.在這個簡單的接口中，ADC的基準(zhǔn)電壓來自電源電壓。模擬溫度傳感器可以取代熱敏電阻分壓器。在這種情況下，ADC（可以是μC的內(nèi)部）需要一個相當(dāng)精確的基準(zhǔn)電壓源。

如果使用帶數(shù)字接口的溫度傳感器，則設(shè)計問題會得到簡化。同樣，當(dāng)ADC輸入和μC I/O引腳供應(yīng)不足時，具有基于時間或頻率的輸出的溫度傳感器可以緩解測量問題（圖2）。例如，MAX6576溫度傳感器產(chǎn)生輸出方波，其周期與絕對溫度成正比。它采用 6 引腳 SOT23 封裝，只需要很少的電路板空間。單個 I/O 引腳將此器件連接至 μC;在其內(nèi)部計數(shù)器測量周期后，μC計算溫度。

圖2.MAX6576產(chǎn)生周期與絕對溫度成正比的方波;MAX6577產(chǎn)生與溫度成比例的輸出頻率。由此產(chǎn)生的比例常數(shù)由 TS0 和 TS1 引腳設(shè)置為四個值之一。無需外部元件。

將接地或正電源電壓施加到兩個邏輯輸入中的每一個，可以選擇介于 10μs/°K 和 640μs/°K 之間的四個周期/溫度比例常數(shù)之一。

相關(guān)的溫度傳感器（MAX6577）產(chǎn)生輸出方波，其頻率/溫度因數(shù)可在0.0675Hz/°K和4Hz/°K之間編程。 這兩款器件均通過減少所需的 PC 板空間、元件數(shù)量和模擬/數(shù)字 I/O 資源來簡化溫度采集。它們通過單個數(shù)字I/O引腳將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)溅藽，并且增加了單個光隔離器，使其成為需要在傳感器和CPU之間電氣隔離的應(yīng)用的理想選擇。

為了測量不同位置的多個溫度，選擇變得更加復(fù)雜。熱敏電阻或傳統(tǒng)模擬傳感器可以放置在適當(dāng)?shù)奈恢貌⑦B接到ADC輸入，前提是ADC有足夠的輸入可用。作為替代方案，MAX6575將溫度數(shù)據(jù)直接傳輸?shù)溅藽;多達6575個MAX6575可連接至單個μC I/O輸入。單條I/O走線將μC連接到這3個MAX6575（圖6575）。為了測量溫度，μC短暫地將I/O線拉低，在短暫的延遲后，第一個MAX<>也將I/O線拉低。該延時與絕對溫度成正比，使用MAX<>上的兩個引腳設(shè)置比例常數(shù)。

圖3.多個MAX6575采用延遲方案對溫度信息進行編碼，通過單個數(shù)字I/O引腳向μC傳輸多達<>個溫度。

第一個傳感器將線路保持低電平一段時間（5μs/°K），然后將其釋放。在第二次延時后，通過將編程引腳設(shè)置為更大的比例常數(shù)來選擇，第二個MAX6575將I/O拉低并保持在5μs/°K定義的間隔內(nèi)。 這樣，四個MAX6575可以連接到I/O線。另外四個MAX6575的長延時版本可以添加到同一I/O線路中。MAX6575L的延遲倍增器范圍為5μs/°K至80μs/°K，MAX6575H的延遲倍增器范圍為160μs/°K至640μs/°K。 因此，多達6575個MAX<>可以分布在系統(tǒng)的不同位置，通過一條I/O線連接到μC。

對于某些系統(tǒng)，所需的信息不是確切的溫度，而是溫度是高于還是低于特定值。此信息可以觸發(fā)冷卻風(fēng)扇、空調(diào)、加熱器或其他環(huán)境控制元素。在系統(tǒng)保護應(yīng)用中，“過熱位”可以觸發(fā)有序的系統(tǒng)關(guān)斷，以避免在系統(tǒng)電源切斷時丟失數(shù)據(jù)。如上例所示，可以通過測量溫度來獲得這一單一信息，但這種方法需要的軟件和硬件比功能所需的更多。

用電壓比較器代替圖 1 中的 ADC，可產(chǎn)生一個簡單的 1 位輸出，可以驅(qū)動 μC 上的單個 I/O 引腳（圖 4）。同樣，所示的熱敏電阻可以用模擬電壓輸出溫度傳感器代替。大多數(shù)此類器件的溫度和輸出電壓之間的關(guān)系不受電源電壓的影響。為了保持不受電源電壓變化的影響，將比較器的電阻分壓器的頂部連接到基準(zhǔn)電壓源，而不是電源電壓。

圖4.將傳感器與比較器組合產(chǎn)生1位數(shù)字輸出，可以警告μC溫度偏移超過預(yù)定閾值或跳變點。

用熱敏開關(guān)（如MAX6501）代替?zhèn)鞲衅?比較器組合，可以簡化系統(tǒng)。這款單芯片器件集傳感器、比較器、基準(zhǔn)電壓源和外部電阻器的功能于一身。當(dāng)溫度超過預(yù)設(shè)跳閘電平時，漏極開路輸出變?yōu)榈碗娖健Ｔ撓盗兄械囊恍┢骷哂新O開路輸出，當(dāng)溫度低于跳變點時變?yōu)榈碗娖剑∕AX6503），其他器件具有推/挽輸出，當(dāng)溫度高于或低于跳變點時變?yōu)楦唠娖剑∕AX6502、圖5或MAX6504）。此外，通過將封裝引腳連接到V+或地，可將遲滯設(shè)置為2°C或10°C。可用的跳閘溫度范圍為 -45°C 至 +115°C，增量為 10°C。

圖5.MAX6502在溫度超過預(yù)設(shè)門限時產(chǎn)生邏輯高電平輸出。

與MAX6575一樣，將多個MAX6501或MAX6503連接到一條I/O走線，當(dāng)一個或多個位置的溫度超過門限時，μC可以得到通知。如果系統(tǒng)必須知道哪個位置已超過閾值，則每個開關(guān)輸出必須連接到單獨的I/O引腳。

這些傳感器測量自己的芯片溫度，并且由于芯片溫度密切跟蹤引線溫度，因此每個傳感器的放置應(yīng)使其引線假定被監(jiān)控元件的溫度。但是，在某些情況下，您必須測量與傳感器不緊密耦合的溫度，例如功率ASIC的溫度，其芯片可能比周圍的電路板熱得多。內(nèi)部溫度傳感器可以使ASIC在響應(yīng)溫度故障時自行關(guān)閉，但僅憑這種能力缺乏準(zhǔn)確性，并且很少警告系統(tǒng)即將發(fā)生的熱過載。

通過在ASIC芯片上添加一個外部可訪問的p-n結(jié)，您可以直接測量管芯溫度，方法是強制兩個或多個不同的正向電流通過檢測結(jié)并測量產(chǎn)生的電壓。兩個電壓之間的差異與絕對管芯溫度成正比：

我在哪里1和我2是強制通過p-n結(jié)的兩個電流水平，V1和V2是結(jié)上產(chǎn)生的正向電壓，k是玻爾茲曼常數(shù)，T是以開爾文度為單位的結(jié)的絕對溫度，q是電子電荷。

當(dāng)然，這種測量需要精密電路來產(chǎn)生精確的電流比并測量非常小的電壓差，同時抑制功率ASIC芯片上大瞬變產(chǎn)生的噪聲。幸運的是，Maxim的遠端結(jié)溫傳感器將這些精密模擬功能與簡單、通用的數(shù)字接口集成在一起。

例如，MAX6654以8位（1°C）分辨率測量遠端結(jié)溫，并通過SMBus將結(jié)果傳送至μC（圖6）。該設(shè)備最初設(shè)計用于監(jiān)控PC中的CPU溫度，具有其他功能，可消除控制器的一些開銷。例如，MAX6654使用窗口比較器監(jiān)測遠端結(jié)溫，當(dāng)溫度高于或低于μC先前下載到寄存器的限值門限時中斷μC。 μC可以在啟動時設(shè)置溫度門限，然后忽略MAX6654，直到需要注意熱問題為止，而不是連續(xù)輪詢MAX6654。

圖6.MAX6654通過強制電流通過P-N結(jié)并測量產(chǎn)生的正向電壓來測量外部P-N結(jié)（分立晶體管、ASIC或CPU的一部分）的溫度。

MAX10采用6654引腳μMAX?封裝，可靠近被測結(jié)點放置。反過來，檢測結(jié)和MAX6654之間的短走線長度有助于避免噪聲拾取。

審核編輯：郭婷