本應(yīng)用筆記討論了溫度傳感器IC的工作原理，并介紹了MAX1617，這是首款測量遠端熱二極管溫度的溫度傳感器IC，可精確監(jiān)測另一個IC或分立晶體管的管芯溫度。

實時溫度測量確保當今更小、更快的系統(tǒng)在安全的熱區(qū)運行。最新的IC溫度傳感器以精確的精度監(jiān)測外部和內(nèi)部組件熱點。

IC溫度傳感器已經(jīng)成熟。在PC和汽車應(yīng)用的推動下，設(shè)計人員將這些無處不在的熱嗅探器嵌入到幾乎所有比尋呼機更大的電子系統(tǒng)中。蜂窩電話通常在電池組中包括一個或多個傳感器，筆記本電腦可能有四個或更多傳感器，用于檢查CPU，電池，交流適配器和PCMCIA卡架中的溫度。因此，IC溫度傳感器的設(shè)計和制造已成為一個價值300億美元/年的產(chǎn)業(yè)。

這些應(yīng)用不包括設(shè)計人員在各種IC中內(nèi)置的大量熱關(guān)斷和保護電路，作為防止短路和超頻（超過IC規(guī)定的時鐘速度）的最終防御。它們不能總是取代傳統(tǒng)的溫度傳感器——電阻溫度檢測器、熱敏電阻和熱電偶——但IC溫度傳感器具有許多優(yōu)勢。例如，它們不需要線性化或冷端補償。實際上，它們通常為熱電偶提供冷端補償。它們通常通過更高電平的輸出信號提供更好的抗噪性，有些提供可以直接連接到數(shù)字系統(tǒng)的邏輯輸出。

魯布·戈德堡裝置

關(guān)于IC溫度傳感器的討論變得及時而重要，因為電子系統(tǒng)越來越密集、耗電和發(fā)熱。溫度傳感器也有很多小工具的吸引力。許多IC執(zhí)行高度抽象的功能。（看！這是一個正交幅度調(diào)制器！但溫度傳感器與現(xiàn)實世界直接相關(guān)，咔嗒聲、嗡嗡聲和嗡嗡聲。將手指放在溫度傳感器上，它會通過啟動風(fēng)扇或蜂鳴器來響應(yīng)。更復(fù)雜的傳感器通常類似于帶有數(shù)字接口的Rube Goldberg裝置 - 具有自主操作，并且可能能夠廣播帶有識別返回地址代碼的警告消息，以精確定位發(fā)起者。

在IC的早期，IC溫度傳感器是簡單的DIP器件，可測量自己的封裝溫度并產(chǎn)生成比例的輸出電壓信號。應(yīng)用非常簡單：您只需將模擬輸出信號運行到電壓比較器或A/D轉(zhuǎn)換器中即可。如今，新設(shè)備的激增提供了遙感、氣流感應(yīng)和其他有趣的功能。本文按類型調(diào)查可用的IC溫度傳感器，并提供將其與應(yīng)用相匹配以及權(quán)衡其規(guī)格和特性的指南。

每個帶隙中的溫度傳感器

The ΔV是帶隙基準電壓源是幾乎所有IC溫度傳感器的核心。首先，術(shù)語“帶隙”用詞不當：它指的是硅的帶隙電壓，在室溫下為1.12V。純屬巧合的是，該值幾乎等于負溫度系數(shù)（TC）V時的魔術(shù)電壓是，與正TC消除電壓相加，得到穩(wěn)定的零TC基準電壓源。

硅pn結(jié)的正向電壓為

VBE = VG0(1-T/T0)+VBE0(T/T0)+(nKT/q)ln(T0/T)+(KT/q)ln(IC/IC0),

其中 T 是以開爾文度為單位的溫度，VG0是外推到絕對零度的半導(dǎo)體帶隙，VBE0等于 V是在溫度 T0和相應(yīng)的電流IC0，K是玻爾茲曼常數(shù)，q是電子的電荷，n是與器件結(jié)構(gòu)相關(guān)的常數(shù)。在兩個電流密度下計算該方程可以簡化得到的ΔV表達式是:

ΔVBE = (KT/q)ln(IC1/IC2).

因此，正向電壓的差異與溫度成正比。通過精確強制兩個電流水平，您可以從測量的 ΔV 計算溫度是幾乎不考慮初始正向電壓、結(jié)的物理尺寸、泄漏或其他結(jié)特性。這一原理是歷史上使用最廣泛的IC單元之一，即Brokaw帶隙參考（圖1）。您會發(fā)現(xiàn)這種設(shè)計或其近親是幾乎所有IC的啟動電路中偏置電流發(fā)生器的一部分，無論是數(shù)字的還是模擬的。

圖1.所有帶隙電路均包括一個電子溫度計。在MAX675精密基準中，溫度計可通過封裝引腳訪問。在其他器件中，它連接到比較器，形成緊急熱關(guān)斷電路。

該技術(shù)要求迫使不同的電流密度通過構(gòu)成基準電壓源核心的兩個晶體管。雖然是分立元件版本，但帶隙電路類似于單片IC版本。兩個晶體管的工作電流密度比精確為16：1。作為精密運算放大器IC的反饋1平衡電路，產(chǎn)生的VBE電壓在R兩端施加1.

作為 R 中的電流1通過 R 流向地面2，Q 發(fā)射極處產(chǎn)生的電壓2TC 的正 TC 為 2.2mV/°C。 用 Q 求和2的 V是，該電壓在 V 處產(chǎn)生零 TC 電壓裁判輸出端子。集成電路2緩沖和縮放正 TC 電壓 （VTC） 以提供 10mV/°C 的精確輸出。 因此，大多數(shù)IC都包含一個溫度計，但它的精度通常值得懷疑，IC設(shè)計人員很少將其用于外部使用。

硅pn結(jié)的過大漏電流特性將基于IC的傳感器的溫度限制在200°C左右。 根據(jù)經(jīng)驗，這些電流隨著溫度每升高10°C而翻倍。過大的漏電流會導(dǎo)致帶隙基準電壓源和信號調(diào)理電路出現(xiàn)故障。

IC溫度傳感器的主要類別

供應(yīng)商根據(jù)輸入源和輸出信號方法對IC溫度傳感器進行分類。要測量的溫度源通常是IC自身的封裝，但您可以使用片上加熱器測量氣流，將封裝溫度提高到環(huán)境溫度以上，也可以使用連接二極管的晶體管測量遠端溫度。在輸出端，模擬輸出、恒溫邏輯輸出和串行數(shù)字輸出信號方法被廣泛使用。表1提供了溫度傳感器的樣本。

第一個IC溫度傳感器是基本的模擬輸出設(shè)備，可產(chǎn)生與溫度成比例的電壓或電流。它們?nèi)匀环浅Ｓ杏?，特別是在設(shè)計可以利用溫度指示幾乎無限分辨率的純模擬系統(tǒng)時。

設(shè)計人員通常使用簡單的邏輯輸出器件來控制冷卻風(fēng)扇和其他恒溫器應(yīng)用。當傳感器的封裝溫度超過預(yù)設(shè)閾值時，傳感器的邏輯輸出將改變狀態(tài)。這些器件通常具有連接，允許您使用外部電阻分壓器調(diào)節(jié)閾值溫度和遲滯帶。其他器件在內(nèi)部固定閾值和遲滯。這些簡單的芯片（例如Maxim的MAX6501系列）最近推出了小型低成本封裝，如SOT-23。

IC溫度傳感器在作為ASIC的一部分集成時最有效。較舊的鎳鎘電池組通常具有板載熱敏電阻（低于25美分）而不是IC溫度傳感器。較新的鋰離子電池組通常將溫度傳感器與電池組的保護IC集成在一起，保護IC還執(zhí)行過流保護、電池平衡、電量計和其他任務(wù)。

更復(fù)雜的溫度傳感器包括一個串行接口，如I2C、SPI或SMBus，可提供與嵌入式微控制器和其他數(shù)字系統(tǒng)的通信。在類似的趨勢中，越來越多的微控制器具有內(nèi)置串行接口，無需對接口引腳進行“位撞擊”。專用串行接口也在向食物鏈上游遷移。例如，英特爾最新的PC芯片組有一個I/O控制器芯片，其中包含一個形成雙線SMBus接口的狀態(tài)機。

串行接口數(shù)字傳感器

串行數(shù)據(jù)接口最有用的應(yīng)用包括 CPU 時鐘節(jié)流和風(fēng)扇控制。時鐘節(jié)流（降低時鐘頻率）是提高便攜式系統(tǒng)中電池壽命的成熟技術(shù)。較低的時鐘頻率可降低容性開關(guān)損耗，從而降低電源電流并延長電池壽命。設(shè)計人員還使用時鐘節(jié)流來控制當您超快的臺式機或筆記本電腦過度工作時發(fā)生的熱量積聚。

電源管理系統(tǒng)監(jiān)控 CPU 溫度，并在 CPU 溫度超過安全限制時降低時鐘頻率（也可能激活風(fēng)扇）。溫度傳感器的數(shù)字接口允許您在溫度控制回路中包含智能功能，從而允許系統(tǒng)應(yīng)用風(fēng)扇速度和時鐘節(jié)流的不同組合，以響應(yīng)特定區(qū)域的過熱。軟件控制還允許您在更改系統(tǒng)硬件或散熱屬性時輕松升級。

最新、最熱的 CPU 芯片支持時鐘節(jié)流，內(nèi)置 pn 二極管用于溫度指示。片上二極管比熱敏電阻和其他以前的傳感器領(lǐng)先幾光年，因為二極管直接直接測量臨界點（IC基板），而沒有與外部傳感器封裝和散熱器中的熱質(zhì)量相關(guān)的延遲。這種遙感技術(shù)的另一個好處是芯片連接問題或散熱不良不會破壞測量。

最重要的是，溫度檢測二極管消除了傳感器在從CPU到環(huán)境熱阻路徑上的物理位置導(dǎo)致的不準確性和不確定性。設(shè)計人員可以將時鐘速度和標準基準性能提高到熱極限，而無需使用笨重、過度設(shè)計的散熱器或適應(yīng)僅在撒哈拉沙漠中發(fā)現(xiàn)的環(huán)境溫度所必需的過于保守、最壞情況的性能邊界。

新CPU中的熱敏二極管根據(jù)二極管溫度系數(shù)2.2mV/°C提供芯片溫度的原始指示。 A/D轉(zhuǎn)換器必須處理此信號，以便由電源管理系統(tǒng)進行解釋。一種方法是用恒定電流偏置二極管，測量其正向電壓，并從基本的2.2mV/°C TC計算溫度。但這種方法有一個缺點：由于初始正向電壓隨工藝和器件特性而變化，因此您可能需要針對CPU工藝或芯片設(shè)計中的每次更改重新表征二極管，甚至單獨校準二極管。The ΔV是技術(shù)是更好的方法。

遠程 ΔV是中央處理器傳感器

實現(xiàn) ΔV是使用遠端二極管的方法需要一個積分A/D轉(zhuǎn)換器、一些用于數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換的邏輯，以及一個精確的電流源，該電流源在兩個電平之間切換，比率可能為10：1。單芯片ICMAX1617包含這些功能，并轉(zhuǎn)換ΔV是信號到兩線串行數(shù)據(jù)（圖 2）。MAX1617可用于CPU溫度測量，因為它可檢測兩種溫度：自身封裝的溫度和遠端端的溫度，如CPU的熱二極管。當您將其安裝在關(guān)鍵的發(fā)熱子系統(tǒng)（如高速緩存或交流適配器）附近時，IC會同時測量其本地溫度和遠程CPU的溫度。

圖2.串行接口溫度傳感器 IC 可通過 CPU 中的熱敏二極管輕松測量遠程 CPU 溫度。

精確、低成本的IC傳感器允許設(shè)計人員進行多次遠程封裝和片上溫度測量，以從其系統(tǒng)中榨取最大性能。動態(tài)調(diào)整發(fā)熱參數(shù)（如時鐘速度）允許系統(tǒng)繼續(xù)運行，即使在惡劣的溫度環(huán)境中也是如此。

審核編輯：郭婷