在电源中使用硅基热敏电阻，来监控电源使用的温度经验

1.前言

最近新项目使用了TMP61硅基的热敏电阻做设计

发现其应用和正温度系数 (PTC) 或负温度系数 (NTC) 热敏电阻基本相同

我将分享一下使用硅基线性热敏电阻时的一些简单硬件和软件方法。

2.常用设计电路

（1）在硅基线性热敏电阻两端产生输出电压的一种方法是使用分压器电路，如图 1 所示。这会产生正线性压降响应，通常直接路由到模拟数字转换器 (ADC)。

图 1：低侧分压器偏置

偏置电阻值应为使用中的硅基线性热敏电阻器件在 25°C (R25) 时的电阻值。

（2）可以使用精密电流源直接偏置硅基线性热敏电阻，如图 2 所示。这种方法不需要偏置电阻器，并提供更大的动态压降范围。

图 2：精密电流源偏置

请记住，虽然电压和电流源被设计为恒定的，但它们在不同的工作条件下确实会略有不同，这可能会影响温度测量。

（3）使用比率方法可以帮助抵消电源变化的影响，因为 ADC 将读取与其自身参考电压成正比的值。如图 3 所示，使用分压器电路时，可以连接到 ADC 参考电压。

图 3：比例热敏电阻电路

3. 热敏电阻温度转换计算

对于温度转换，可以直接使用TI 硅基线性热敏电阻的软件，使用起来非常简单。我们使用热敏电阻设计工具通过提供电阻与温度 (RT) 表、多种温度转换方法和示例代码，使软件变得更加简单。

使用该工具时，只要输入正确的电路参数就能获取得到需要的程序。

也可以使用查找表 (LUT)，将在 Device Resistance Tables 选项卡下找到所有温度范围内的电阻值，以 1°C 和 5°C 为步长。您可以使用工具中的 Lookup Table 或 Interpolation From Lookup Table 选项卡开始使用 TI 的示例代码。标准 LUT 方法将向上或向下舍入到 LUT 中找到的最接近的值。

公式 1 中的插值方法将计算 LUT 中找到的值之间的温度，以获得更高的精度。硅基线性热敏电阻可以利用插值，因为它们在整个温度范围内具有非常稳定的线性 RT 响应。

其中 X 是测得的电阻，Y 是温度的未知值，X 1和 Y 1是 LUT 中的下限值，X 2和 Y 2是 LUT 中的上限值。

作为 LUT 的替代方案，TI 建议是使用称为四阶多项式回归的曲线拟合方程（方程 2）。与其他转换方法相比，这个方程（以摄氏度显示）非常准确，可以节省内存上的处理时间。

我们可以在热敏电阻设计工具的 4 阶多项式回归选项卡中找到设计的求解系数。该工具还提供了 Steinhart-Hart 方程（方程 3，以开尔文表示）的示例代码，这是一种典型的热敏电阻温度转换方法：

阈值检测选项卡显示了在特定温度下我们可能希望从 ADC 看到的值，以便进行简单的阈值监控。这种方法对于不需要连续温度收集的应用很有帮助，但对于系统保持高于或低于温度阈值至关重要。

此外，平均选项卡解释了平均温度样本如何帮助提高测量分辨率和信噪比。使用先进先出序列，如图 4 所示，我们还可以创建一个运行平均值，用于在每次新样本进入阵列时计算温度。

图 4：FIFO 操作

计算平均值时，我们将取数组中所有值的总和除以样本总数（公式 4）。

4. 选择热敏电阻的经验

（1）成本考虑

热敏电阻本身是便宜的设备。因为它们是离散的，所以可以通过使用附加电路来改变它们的电压降。例如，如果我们使用的是非线性 NTC 热敏电阻，并且希望在我们的设备上具有线性压降，我们可以选择添加额外的电阻器来帮助实现此特性。但是，另一种可以减少 BOM 和总解决方案成本的替代方法是使用已经提供所需电压降的线性热敏电阻。好消息是，得益于我们新的线性热敏电阻系列，我们可以以相似的成本找到两种热敏电阻选项，这有助于工程师简化设计、降低系统成本并将印刷电路板 (PCB) 布局尺寸减少至少 33%。

（2）电阻容差

热敏电阻按其在 25°C 时的电阻容差进行分类，但这并不能完全说明它们如何随温度变化的全部情况。使用器件的电阻与温度 (RT) 表中提供的最小、典型和最大电阻值来计算您感兴趣的特定温度范围内的容差非常重要，我们可以在设计工具或数据表中找到该表。

为了说明容差如何随热敏电阻技术而变化，让我们比较 NTC 和我们的TMP61硅基热敏电阻，它们的额定电阻容差均为 ±1%。图5 说明，随着温度从 25°C 移开，两种器件的电阻容差都会增加，但在极端温度下，两者之间存在很大差异。计算这种差异很重要，这样我们就可以选择对您感兴趣的温度范围保持低容差的设备。

图 5：电阻容差：NTC 与 TMP61

（3）校准点

不知道我们的热敏电阻在其电阻容差范围内的位置会降低我们的系统性能，因为我们需要更大的误差范围。校准会告诉我们预期的电阻值，这可以帮助我们大大减少误差幅度。但是，这是制造过程中的一个附加步骤，因此我们应该尽量将校准保持在最低限度。

我们需要的校准点数量取决于我们使用的热敏电阻类型和应用的温度范围。对于较窄的温度范围，大多数热敏电阻只需进行一点校准即可。对于需要宽温度范围的应用，我们有两种选择：1) 使用 NTC 校准 3 次（这是由于它们在极端温度下灵敏度低且电阻容差高），或 2 ) 使用硅基线性热敏电阻校准一次，这比NTC要稳定得多。

（4）灵敏度

当试图从热敏电阻获得良好的精度时，每摄氏度的电阻（灵敏度）有很大的变化只是难题的一部分。但是，除非我们通过校准或选择具有低电阻容差的热敏电阻在软件中获得正确的电阻值，否则大灵敏度不会很有帮助。

由于 NTC 的电阻值呈指数下降，因此它们在低温下具有非常大的灵敏度，但随着温度的升高，灵敏度急剧下降。硅基线性热敏电阻不像 NTC 那样具有大的灵敏度波动，可以在整个温度范围内进行稳定测量。随着温度升高，硅基线性热敏电阻的灵敏度通常在 60°C 左右超过 NTC。

（5）自热和传感器漂移

热敏电阻以热量的形式耗散功耗，这会影响其测量精度。散热量取决于许多参数，包括材料成分和通过器件的电流。

传感器漂移是热敏电阻随时间漂移的量，通常通过加速寿命测试在数据表中指定，以电阻值的百分比变化给出。如果我们的应用需要长时间保持一致的灵敏度和精度，需要寻找自热和传感器漂移低的热敏电阻。