【導讀】系統散熱問題日漸成為設計環節中必須考慮的因素。系統過熱會降低性能，損壞元件或產生安全隱患。為跟蹤并降低系統散熱而引發的問題，通常需要監控兩個參數：持續溫度測量和過熱警報。
持續溫度測量使處理器可以監測到系統溫度的上升或下降，并根據測得的溫度采取彌補措施。例如，由于功率放大器(PA)會受到系統升溫的影響，因此它可以顯示增益的升高。增益升高導致功率放大器使用更大的功率，產生更多熱量，繼而使用更高的電能，這被稱為熱逸散。例如，在無線傳感器網絡應用中，過大的增益會導致電池比預期耗電更快。通過監控溫度，處理器可以調節放大器的增益，從而確保功率的耗散與設計者預期相符。
在系統運行溫度超出設置的限制時，處理器會接收到二進制過熱警報信號。一個應用范例是當系統中溫度即將超出元件的最大運行溫度時。此時，處理器可以中止向元件供電，避免系統由于過熱而受到損壞。
分立熱敏電阻電路
用于進行持續溫度測量和過熱警報指示的傳統分離元件電路在傳感器元件中使用熱敏電阻器(熱敏電阻)，通常采用負溫度系數(NTC)熱敏電阻。隨著溫度的升高，NTC熱敏電阻的電阻值降低(圖1)。
圖 1：采用傳統熱敏電阻的電路
處理器的模數轉換器用于采集溫度模擬電壓(VteMP)。當溫度超出臨界值時，數字比較器的輸出端會驅動處理器的輸入端進行提示。
電壓分頻器直接衍生模擬溫度信號，作為熱敏電阻溫度模擬信號的電壓電平。RBIAS電阻器能夠設置電路增益，并使熱敏電阻保持在允許的功率內工作，從而最大限度地減小溫度導致的電阻誤差。過熱警報通過將熱敏電阻的輸出端與比較器的輸入端相連接而產生。參考電壓與比較器的另一輸入端相連，以設置比較器輸出端被激活的電壓值(過熱電平)。通過采用磁滯反饋回路用于避免比較器在VTEMP等于VREF時來回快速開關。
但是分立熱敏電阻解決方案會存在許多設計問題。而LM57集成模擬溫度傳感器和溫度開關能夠解決這些設計問題，并提高系統的性能。
集成的LM57電路
LM57不僅集成了分立熱敏電阻電路的功能，還改進了其性能。如圖2所示，我們可以看到元件數量變少了，但功能卻增加了。例如低態跳脫點輸出和輸入針腳使系統可以在原位置測試LM57的功能。
▲圖2：LM57集成電路應用
處理器的模數轉換器用于采集溫度模擬電壓(VTEMP)。當溫度超出臨界值時，過熱(TOVER)輸出端會驅動處理器的輸入端進行指示。跳脫點由兩個無源電阻器(RSENSE1和RSENSE2)設置，而不是由有效參考端和偏壓電阻器設置。
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精確度
任何溫度傳感器電路中最重要的測量參數之一是總體電路的精確度(或誤差)。在設計分立電路解決方案時，各元件的誤差會累加得出測量值的最大總誤差。例如，分立熱敏電阻電路(圖1)中的VTEMP模擬溫度輸出端將同時受到熱敏電阻和電阻器RBIAS的精確度影響。TOVER數字警報的精確度不僅受到VTEMP的精確度影響，還受到比較器、反饋電阻器和磁滯電阻器的固有誤差影響。例如，如果使用此電路控制大型HVAC系統，這些誤差可能引起大型系統在不需要工作時繼續運轉，從而導致系統產生過多的功率。
LM57完全集成(圖3)，所有組成部分的輸入輸出都包含在LM57的校對流程中，因此不會產生以上所提到的誤差源。同時，系統設計員不需要累加各組成元件的誤差，從而得出總誤差。LM57能保證VTEMP模擬輸出的最大誤差為±0.7℃，TOVER警報輸出的最大誤差為±1.5℃。
圖3：LM57集成模擬溫度傳感器和溫度開關的功能框圖
NTC電路的另一個誤差源是VTRIP的誤差。最大程度降低這一誤差的一種途徑是使用高精度參考端。但是，比較器的輸入端會收集到來自參考端的噪聲。比較器的跳脫點會隨著噪聲產生的信號電平的變化而不同。LM57采用一種專利技術從而解決了這個問題。用戶可以通過選擇兩個電阻器RSENSE1和RSENSE2的值設置VTRIP的值。LM57使用數模轉換器確定跳脫電壓范圍。只要感應線路中電壓在指定范圍內，跳脫溫度就不會產生變化。這表示LM57感應輸入不會受到輸入端適量噪聲的影響。這還意味著只要電阻器的容差在1%或更低，各電阻器的跳脫點就不會變化。
線性度和轉換噪聲
在傳感器測量中獲得最大的精確度需要注意量化噪聲誤差，這是由模擬信號向二進制數據轉換產生的誤差。模擬信號經過數字化，得出的是一個接近實際測得模擬值的數字值。數字測量的最小增量(LSB)是將模數轉換器參考電壓除以模數轉換器的可數代碼數得出的電壓。例如，使用2.56V參考電壓的8位模數轉換器產生的LSB值為2.56V ÷ 28 = 10mV。測得的模擬值和數字值之間的任何差值將稱為轉換中的誤差，這被稱為轉換噪聲或轉換誤差。例如，如果嘗試采集1.384V信號，此信號經數字化獲得接近10mV的值，假設達到1.380V，則采樣值具有4mV的轉換噪聲值。如需了解更詳盡的轉換噪聲討論，請參見National.com網站上的《淺談模數轉換器》(The ABCs of ADCs)一文。
那么，此噪聲在溫度誤差中意味著什么?答案取決于傳感器輸出的增益。傳感器的增益幅度越大，就越少受到噪聲的影響——傳感器增益越高，量化噪聲產生的誤差越小。如圖4所示，可以看到在跳脫溫度設為100℃時，LM57的VTEMP模擬輸出與-10.4mV/℃典型增益值呈現很好的線性關系(實際上，LM57具有4種可能的增益，這取決于選擇的跳脫點值，但是本例中我們選擇100℃)。這表示每毫伏噪聲對溫度的影響為0.097℃/mV。同樣在100℃的溫度下，熱敏電阻輸出端的1mV噪聲將產生1.7℃的誤差(本模擬試驗中使用NCP15XH103熱敏電阻和6.2kΩ偏壓電阻器)。
圖4：LM57和NTC熱敏電阻(Murata NCP15XH103F)的噪聲靈敏度比較
工作溫度范圍
較熱敏電阻而言，LM57優點是具有更寬的可用工作溫度范圍。如圖4所示，LM57可在-50℃至150℃的溫度范圍中工作。此熱敏電阻的額定溫度范圍是-40℃至125℃，但其可用范圍接近-20℃至100℃。由于在此范圍內具有線性輸出值，因此無需優化電路實現更窄、更高的溫度范圍;LM57在140℃下具有卓越的精確度和噪聲容差。
設計時間和板空間
在如今更短的產品開發周期中，集成的LM57可以通過縮短設計時間從而提高價值。LM57只需要使用簡易的設計優化方法即可集成在電路中，并與處理器相連。無需元件匹配、考慮序列誤差等。
由于采取單一封裝，體積小，從而節省了板空間和生產成本，并提高了質量。如果在分立解決方案中結合多個元件將占用更大板空間，因為各元件間需要保持最小間距。設計每增加一個新元件，在電路中放置該元件的成本就累加到產品成本中。每個附加元件都需要增加一個設備和兩個或更多連線，因此在設計中需要考慮更多的問題。
本文小結
集成的LM57模擬溫度傳感器和溫度開關不僅結合了傳統溫度傳感器和比較器電路的優點，同時比分立解決方案具備更多的功能和更好的性能。如需改進系統性能并縮短設計時間，LM57是最佳選擇。
