温度感应技术的应用非常广泛,在各类消费性电子、玩具、家用电器、工业测量产品以及个人电脑里,都扮演了不可或缺的角色。热敏电阻(thermistor)是传统上最常见的温度感应元件,不过IC温度感应器(temperature sensor)也出现在同样的应用领域中。究竟两者之间的分别何在?孰优孰劣?工程师选择时又应该注意哪些事项?美国国家半导体针对IC温度感应器与热敏电阻的效能做出一系列的测试。本文将探讨其测试结果,希望能为相关设计人员提供一些参考准则。
热敏电阻的传统优势
对于热敏电阻最常见的评价不外乎价格优势、各种不同的引脚封装以及准确度:
一、价格
在大多数情况下,热敏电阻单一元件的价格比IC温度感应器低。然而,为了将热敏电阻的阻值转换成电压值,需要一个精度为1%的上拉电阻,以便获得准确的读数;如果需要以数位方式读出热敏电阻的值,则必须再加用带有不同介面(如I2C或SPI)的类比数位转换器(ADC)。相较之下,单独一颗IC温度感应器晶片即可读出电压值,而不需外加元件。如果需要以数位方式读出温度值,也可轻易找到具不同输出介面的单晶片数位IC温度感应器。因此,以整体系统价格来说,采用IC温度感应器的成本并不必然高于热敏电阻。
另一方面,随着温度感应器制程技术不断推陈出新,厂商也得以降低生产成本。例如,美国国家半导体最近推出的LM19,其价格就足以与热敏电阻媲美。
二、各种各样的封装
如果不将感应器装在电路板上,热敏电阻较有优势,但也仅限于此。若把感应器装在印刷电路板(PCB)上,热敏电阻的量测结果就与IC温度感应器差不多;如果采用的是导热性高的LLP封装之IC温度感应器的话,如LM20或LM74时,读值又会更为精准。
三、准确度
事实上,因为用途不同,热敏电阻的量测结果也不必然较为精准。测量小范围内的温度,例如体温计,热敏电阻因具备输出微调能力,若配合精确的外加线路,可得到精确的读值。 IC温度感应器则因受到安装在电路板上的限制,可能无法直接接触到测量物,因而影响到测量结果的准确度。但在允许在电路板上测量温度且范围较大的应用领域时,IC温度感应器就会比热敏电阻精确。细节会在下文的实验章节中描述。
另一方面,使用热敏电阻时,为了达到一致的准确度,必须对每批或每颗热敏电阻调校。 IC温度感应器则在出厂时即完成测试,反而较能维持系统生产时的稳定性。
温度读取误差的来源
读取网路和功耗
热敏电阻的电阻会随着温度而变化。工程师往往需建立一电阻网路以把电阻变化转为电压变化。
如(图一),上部的电阻会造成读取资料的第一个错误。想要得到准确的结果,上部电阻的准确度必须不低于1%。再者,上部电阻的阻值还会影响整个网路的线性度和功耗,细节会在实验章节里说明。
与热敏电阻相较,IC温度感应器就较易于使用。 IC温度感应器里有三个引脚,分别是Vcc、GND和Vout。一般而言,Vout与温度呈线性关系,而CMOS制程能将耗电率降至最低。 IC温度感应器一般都可承受一定范围的Vcc变化,而不影响其输出值。例如 LM20即可在2.4V 至5.5V范围的Vcc下稳定地运作。
线性度
如读取网路中所示,线性度也会造成读取误差,在温度读数范围较宽时尤其如此。因此,为了弥补线性度不足的问题,热敏电阻还需加装一些类比线路,或者要在数位化过程完成后使用查阅表对照,而使得成本再度增加。
相较之下,IC温度感应器则是以线性方式显示温度,而且不需要进行线性度补偿。 (图二)为热敏电阻与IC温度感应器回应性能的范例:
数位化误差
为了读出数位世界中的温度值,我们需要用类比数位转换器(ADC)将类比输出转换为数位量。在此过程中,类比数位转换器的线性误差、量化误差、偏移误差、PSRR误差与温度的关系,都会造成整体系统的温度读取误差,如(图四)。
《图三 模拟数字转换器的线性误差、量化误差、偏移误差、PSRR误差与温度的关系》 |
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如果又考量到最终系统的全部参数和误差取决于多种因素,设计工作又更为复杂,可能还需要在生产现场进行系统校准。
IC数位温度感应器则将感应器与数位化功能整合在单一晶片内,其数位输出级在出厂前经过测试,以排除一切误差来源。因为整个晶片的准确度度有了保证,也就能够立刻被采用。举例来说,LM92的技术规格为30℃时的准确度为0.33℃,工程师就可以立即从I2C汇流排获得准确的数位读数而无须校准。
热敏电阻与LM20 的对照实验
比较组设计
为比较热敏电阻和IC温度感应器LM20的效能高低,我们进行了以下实验,并将两者的设置控制到尽可能相同的程度。实验电路如(图五)。
《图四 热敏电阻和IC温度传感器LM20实验电路》 |
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LM20是美国国家半导体公司新推出的一款类比温度感应器,采用SC-70或Micro-SMD封装,体积小巧,尤其适用于手机。另外,采用TO-92封装的LM19也具有相同的性能。
在此使用的热敏电阻是Murata NTH5G10P/16P33B103F。
热敏电阻的非线性及功耗
首先,我们需要确定热敏电阻设置中的上拉电阻。如上一节中所说明的,电阻值的选取可能造成不同的线性度和功耗。
在97.6 K欧姆的上拉电阻下,非线性情况相当严重,而且较高温度范围内斜率的下降也将降低ADC的解析度。
《图五97.6 K欧姆的上拉电阻下,非线性情况相当严重》 |
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随着上拉电阻减至4.7K欧姆,热敏电阻设置的线性度有所改善,但功率消耗也因而增高。功耗增加导致热敏电阻网路的自热现象,因而产生读取误差。随着系统使用时间增长,自热效应造成的误差也会更为严重。
目前为止,热敏电阻的非线性与自热问题仍然无法同时获得解决。 IC温度感应器却能真正地同时获得高线性度与低自热的性能。
实验结果
在这些设置条件下,热敏电阻与IC温度感应器的特性如(图六)所示。
从图中可明显看出:在较低温度范围内,两种设置的误差大致相同,而热敏电阻的准确度甚至要再高一些。但在50℃以上的较高温度范围内,热敏电阻的读数准确度降低,而且随着温度升高,准确度也跟着降低。
因为温度感应器往往需要在高温范围内执行系统保护的功能,,如果使用热敏电阻而不加线性补偿线路,发出假警报的机率将会增高,对使用者就会形成不小的困扰。
另一方面,IC温度应测器消耗的功率只有热敏电阻的三分之一(10uA vs. 30uA)。
使用IC温度感应器与热敏电阻的判定标准
- 根据以上结果,在以下几种情况时,应选择使用IC温度感应器:
- ● 当测量的温度范围较广时;
- ● 当系统的总成本非常重要时;
- ● 当设计时间必须减到最少时;
- ● 当空间非常宝贵时;
- ● 当需要较低的供电电流时。
- 热敏电阻的选用时机则为:
- ● 系统准确度不甚重要时。
- ● 感测元件必须远离PCB时;
- ● 系统不需外加器件来读取温度值时。
- 在接下来的几期里,我们还会逐一介绍温度感应器在消费性电子产品、无线产品、工业设备、个人与手提电脑、资讯家电以及汽车等市场上的应用。
- (作者为美国国家半导体亚太区市场经理)