如何为特定应用选择温度传感器

摘要

本文讨论如何为特定应用选择合适的温度传感器。我们将介绍不同类型的温度传感器及其优缺点。最后，我们将探讨远程和本地检测技术的最新进展如何推动科技进步，从而创造出更多更先进的温度传感器。

简介

温度传感器在众多应用场景中扮演着重要角色，包括消费电子产品、环境监测和工业加工。为确保温度读数准确，选择合适的温度传感器至关重要。市场上有各种各样的温度传感器，选择最合适的温度传感器可能并不容易。本文旨在提供指导，介绍如何为特定应用选择合适的温度传感器。

应用

温度的范围非常广泛，确定应用要求的温度范围非常重要。除了温度范围，我们还要考虑准确度、功耗、尺寸限制、通信协议（SMBus、SPI、I2C、1-Wire®等）和预算等要素，这些都有助于缩小最合适器件的选择范围。

温度传感器类型

从技术上讲，目前较常用的四类温度传感器如下：

RTD（电阻温度检测器）：RTD在中等温度范围（-200℃至+850℃）内具有出色的准确度和稳定性。如果准确度是首要考虑因素，那么RTD是不错的选择。

热电偶：如果应用需要测量的温度范围非常宽泛，则通常使用热电偶。它们在高温（-270℃至+1800℃）下的准确度较低，但能够适应高温情况，是高温环境的不错之选。

热敏电阻：热敏电阻性价比高，通常用于消费电子产品。它们在有限的温度范围（-270℃至+1800℃）内的准确度相对较好。

基于二极管的传感器：基于二极管的传感器利用二极管两端的电压降与温度的关系来测量温度。它们性价比高，温度测量范围有限（-55℃至+150℃），响应速度快，并且比其他三种类型的温度传感器都要小。

基于二极管的温度传感器可以轻松地与微控制器、ADC和ASIC连接。它们的应用范围非常广泛，涵盖了消费电子、工业自动化、数据中心（存储系统）、汽车以及众多其他电子应用。

通信

温度传感器的输出可以是模拟电压或数字信号。现代温度传感器采用数字通信，如SMBus、SPI、I2C和1-Wire接口，可与微控制器和其他数字器件进行简单的通信。1-Wire接口支持将多个传感器连接到同一条数据线。

图1.MAX31888典型应用电路

准确度

选择高准确度的温度传感器至关重要，对于那些需要精确温度读数的应用尤为如此。为此，应选择RTD或基于二极管的采用校准的温度传感器。表1列出了ADI新款高准确度温度传感器及其通信接口和封装。

图1为高准确度温度传感器MAX31888示例。这是一款1-Wire高准确度、低功耗数字温度传感器，在-20℃至+105℃范围内的准确度达到惊人的±0.25℃，适用于精密温度监测应用。在测量过程中，该IC消耗68 μA工作电流，分辨率为16位(0.005℃)。该传感器通过1-Wire总线与微控制器通信，该总线仅需一根数据线（和一个接地参考）即可进行通信。此外，该传感器可以通过数据线直接从寄生电源获得电力，无需外部电源。MAX31888采用6引脚μDFN封装。外部电源的电源电压范围为1.7 V至3.6 V。工作温度范围为-40℃至+125℃。

功耗和尺寸

在可穿戴设备等电池供电的设备中，功耗和尺寸密切相关，这些都是选择器件的关键考虑因素。低功耗传感器可以缩短充电所需的时间并延长电池寿命，同时保持其准确度。图2展示了新款低功耗温度传感器及其准确度。

图2.低功耗温度传感器与准确度

MAX31875是一款准确度为±1℃的本地温度传感器，带有I2C/SMBus接口，其平均电源电流小于10 μA。典型应用电路如图3所示。该产品兼具超小封装尺寸、温度测量准确度出色和电源电流消耗非常低等特性，是各种设备的理想选择，尤其是电池供电和可穿戴设备。兼容I2C/SMBus的串行接口接受标准的写入字节、读取字节、发送字节和接收字节命令，以读取温度数据并配置传感器的行为。MAX31875采用4引脚晶圆级封装(WLP)，工作温度范围为-50℃至+150℃。

图3.MAX31875典型应用电路

CPU、FPGA、ASIC等（带片上热敏二极管）

为了保护CPU、FPGA和ASIC等高性能IC，半导体制造商会在芯片内部集成温度检测二极管，二极管的一端会连接外部的双极性晶体管，二极管用于测量本地温度，外部晶体管用于测量远端温度。热敏晶体管位于IC裸片之上，因此测量准确度明显高于其他检测技术。

ADI提供多种IC，可专门用于精确检测热敏二极管温度，并将相关信号转换到数字形式。其中有些器件仅测量一个热敏二极管，但有些器件可以测量多达四个甚至八个热敏二极管。图4为一些这种类型的IC，包括MAX6654、MAX6655/MAX6656、MAX31730、MAX31732和MAX6581。

图4.远端/本地多通道温度传感器

妥当的设计，再辅以内部和外部滤波措施，远端二极管传感器就能广泛应用于显示器、时钟发生器、内存总线和PCI总线等存在电气噪声的环境中。

图5为一个远程二极管传感器示例。MAX31732是新款多通道温度传感器，可监测自身温度和多达四个外部晶体管的温度。电阻抵消功能可补偿电路板走线和外部热敏二极管之间的高串联电阻，而β补偿可校正由低β检测晶体管引起的温度测量误差。

该器件提供两个开漏、低电平有效报警输出和，分别监测主要过温/欠温阈值水平。非易失性存储器(NVM)支持传感器在上电期间对配置寄存器进行编程，无需软件/固件干预。双线式串行接口支持SMBus协议（写入字节、读取字节、发送字节和接收字节），可读取温度数据并对温度阈值进行编程设置。

图5.MAX31732典型应用电路

结论

为了选择适当的温度传感器，需要仔细考虑各种因素，包括应用要求、准确度、周围条件、输出接口、功耗和成本。通过了解这些因素并评估可用的方案，您可以选择满足特定需求并确保能在应用中准确可靠地测量温度的温度传感器。从长远来看，事先投入时间和精力，认真选择合适的温度传感器，有助于提升系统的性能、效率和成本效益。硅基温度传感器技术已经取得重大进展，准确度大幅提高，能够实现非常精准的测量。为了获得出色的准确度，IC设计人员在校准方面付出了巨大的努力。