使用片式NTC热敏电阻监控5G电子设备的温度

周四, 21 五月 2020 - 14:21

2020年，5G终于真正到来了。设计工程师们目前非常关注的一个问题是，5G技术在各种设备被广泛应用，是否会增加电子设备发热风险?

<ul>
<li>5G设备中通信速度急剧增加，相关部件的负载也会增加。每个部件必须在单位时间内处理的信息量也会急剧增加。</li>
<li>不仅如此，占用大量信息流量的图像和视频的清晰度将更高，而且摄像机的边缘处理信息量和速度也将增加。</li>
<li>此外，支持这些信息处理的电源中，对大容量电池的快速充电是必不可少的。</li>
</ul>

这些说明电子装置内部将有更多发热源。

而且，多个发热源以复杂方式工作的电子装置内，发热源之间还会相互传热影响。以往对单一发热源采取的一些措施，可能并不适用于同时处理多个功能热点的状态。

监测基板温度的重要性

基于上述背景，监测基板上多个位置的温度、并根据电子设备的复杂功能去控制作为发热源部件性能变得越来越重要性。

例如，当执行处理器加载很大的应用程序时，处理器在温度较低的初始阶段以全功率运行。如果处理器温度升高，则性能会降低，且不能超过阈值温度控制。此时，如果向处理器供电的电源部分的发热很大，并且处理器能够接收到来自电源部件的发热，则处理器的温度就可能急剧上升。要同时考虑处理器周围和电源IC周围的温度，就有必要更精细地控制每个器件的性能。

在基板上进行器件温度控制的同时还需注意，由于发热器件持续产生热量，可能需要最终的过热保护——例如显示警告或切换至关闭状态等。

基板上不仅需要考虑每个发热源，还要考虑IC和模块的内部温度，以及考虑彼此的热交换和放置电子设备的周围环境的温度变化。因为，如果不监测发热源周围的温度，就不可能进行上述提到的温度管理。

用片式NTC热敏电阻监控基板温度

这里选择的温度传感器是表面贴装型片式NTC热敏电阻。

图1. 片式NTC热敏电阻的尺寸和主要用途

片式热敏电阻的尺寸符合EIA标准，可以像相同标准的片式电阻或电容器一样轻松安装——在可以连接热敏电阻的部位通过表面贴装安装热敏电阻。

这类热敏电阻作为温度传感器使用，配置自由度非常高，只要通过将传感器放置在要测量的位置来检测温度即可。

此外，片式NTC热敏电阻已经建立了各种批量生产技术、构造和管理方法，能够大量生产具有不同特性的许多品种。增加产量只需使用相应的大规模生产设备和工艺方法，从而很容易降低成本。

每个元器件制造商都在不断追求器件的小型化，热敏电阻中，0402mm尺寸已经成为普通尺寸。与其他温度传感器相比，目前，片式热敏电阻不仅具有成本优势、体积小，而且可以在未来得到进一步降低成本和小型化。

热敏电阻的其它魅力

图2是使用了热敏电阻的温度检测电路的例子。

图2. 使用热敏电阻的温度检测电路实例

将热敏电阻和电阻串联，施加恒定电压。这时的分压与热敏电阻的温度的关系如图3所示。

图3. 表示分压电压 (Vout) 的温度特性

在较宽的温度范围内可以获得非常大的电压变化，这种电压变化作为温度信息来处理。具体而言，如果直接与微机的AD端口连接并进行AD转换，则能够利用微机的逻辑将该AD值作为温度信息进行处理。例如，当在某个温度下发出警告时，编程为当检测到与该温度对应的AD值时发出警告。

值得注意的是，这是一个很大的电压变化。您是否注意到图2的电路图在AD转换器 (ADC) 之前没有放大器?不限于温度传感器，通常来自电子装置中使用的传感器的信号非常微弱，并且需要一些放大器 (信号放大器) 。热敏电阻是少数不需要放大器的传感器。

这里考虑一下ADC的分辨率。如图2所示，假设施加至热敏电阻的电压与向微机内的ADC供给的电压相同，并且ADC的输入范围为0V~3V。如果ADC的分辨率为10位，则量化单元 (LSB:LeastSignificant Bit) 变为大约3mV。

另一方面，在与图3相同的温度范围，即-20°C~+85°C下，能够得到的单位温度的电压变化 (增益) 如图4所示。即使在增益最小的温度范围的上限和下限，也可以获得约10 mV/°C的增益。此时，1 LSB相当于约0.3°C。即使安装在微型计算机中的10位ADC也可以预期约0.3°C的温度分辨率。当然,在室温附近存在30 mV/°C以上的增益，因此1 LSB为0.1°C以下。

图4. 表示单位温度的电压变化 (增益)

使用配备有微型计算机的标准ADC，可以通过简单的电路轻松形成温度检测电路。这是热敏电阻广泛用于电子设备温度检测的主要原因。

简单电路&高精度温度测定

那么，使用普通热敏电阻和电阻可以获得多少温度测量精度?

我们再看一下图3。该图是使用电阻值容许差±1%的热敏电阻和电阻器时的电压温度特性。对得到的电压的中心值和细线根据部件的最大容许差等计算的电压的上下限值进行绘图。由于几乎看不到差，因此，将中心值为零时的上下限值换算为温度的图表如图5所示。

图5. 对图3中Vout誤差温度进行換算

结果显示，在+60°C下产生约±1°C的误差，在+85°C下产生约±1.5°C的误差。为了监测电子设备内部的温度，例如基板温度，可以预期足够可靠的温度测量精度。

因为正在使用的器件和电路具有极大的简单性，读者应该可以理解片式NTC热敏电阻的高性价比。

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村田制作所SimSurfing辅助设计软件界面

在设计温度检测电路时，很难对 “根据温度能得到什么样的电压变化?”进行成像。