【導讀】2020年，5G終于真正到來(lái)了。設計工程師們目前非常關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題是，5G技術(shù)在各種設備被廣泛應用，是否會(huì )增加電子設備發(fā)熱風(fēng)險?
● 5G設備中通信速度急劇增加，相關(guān)部件的負載也會(huì )增加。每個(gè)部件必須在單位時(shí)間內處理的信息量也會(huì )急劇增加。
● 不僅如此，占用大量信息流量的圖像和視頻的清晰度將更高，而且攝像機的邊緣處理信息量和速度也將增加。
● 此外，支持這些信息處理的電源中，對大容量電池的快速充電是必不可少的。
這些說(shuō)明電子裝置內部將有更多發(fā)熱源。
而且，多個(gè)發(fā)熱源以復雜方式工作的電子裝置內，發(fā)熱源之間還會(huì )相互傳熱影響。以往對單一發(fā)熱源采取的一些措施，可能并不適用于同時(shí)處理多個(gè)功能熱點(diǎn)的狀態(tài)。
監測基板溫度的重要性
基于上述背景，監測基板上多個(gè)位置的溫度、并根據電子設備的復雜功能去控制作為發(fā)熱源部件性能變得越來(lái)越重要性。
例如，當執行處理器加載很大的應用程序時(shí)，處理器在溫度較低的初始階段以全功率運行。如果處理器溫度升高，則性能會(huì )降低，且不能超過(guò)閾值溫度控制。此時(shí)，如果向處理器供電的電源部分的發(fā)熱很大，并且處理器能夠接收到來(lái)自電源部件的發(fā)熱，則處理器的溫度就可能急劇上升。要同時(shí)考慮處理器周?chē)碗娫碔C周?chē)臏囟?，就有必要更精細地控制每個(gè)器件的性能。
在基板上進(jìn)行器件溫度控制的同時(shí)還需注意，由于發(fā)熱器件持續產(chǎn)生熱量，可能需要最終的過(guò)熱保護——例如顯示警告或切換至關(guān)閉狀態(tài)等。
基板上不僅需要考慮每個(gè)發(fā)熱源，還要考慮IC和模塊的內部溫度，以及考慮彼此的熱交換和放置電子設備的周?chē)h(huán)境的溫度變化。因為，如果不監測發(fā)熱源周?chē)臏囟?，就不可能進(jìn)行上述提到的溫度管理。
用片式NTC熱敏電阻監控基板溫度
這里選擇的溫度傳感器是表面貼裝型片式NTC熱敏電阻。
圖1. 片式NTC熱敏電阻的尺寸和主要用途
片式熱敏電阻的尺寸符合EIA標準，可以像相同標準的片式電阻或電容器一樣輕松安裝——在可以連接熱敏電阻的部位通過(guò)表面貼裝安裝熱敏電阻。
這類(lèi)熱敏電阻作為溫度傳感器使用，配置自由度非常高，只要通過(guò)將傳感器放置在要測量的位置來(lái)檢測溫度即可。
此外，片式NTC熱敏電阻已經(jīng)建立了各種批量生產(chǎn)技術(shù)、構造和管理方法，能夠大量生產(chǎn)具有不同特性的許多品種。增加產(chǎn)量只需使用相應的大規模生產(chǎn)設備和工藝方法，從而很容易降低成本。
每個(gè)元器件制造商都在不斷追求器件的小型化，熱敏電阻中，0402mm尺寸已經(jīng)成為普通尺寸。與其他溫度傳感器相比，目前，片式熱敏電阻不僅具有成本優(yōu)勢、體積小，而且可以在未來(lái)得到進(jìn)一步降低成本和小型化。
熱敏電阻的其它魅力
圖2是使用了熱敏電阻的溫度檢測電路的例子。
圖2. 使用熱敏電阻的溫度檢測電路實(shí)例
將熱敏電阻和電阻串聯(lián)，施加恒定電壓。這時(shí)的分壓與熱敏電阻的溫度的關(guān)系如圖3所示。
圖3. 表示分壓電壓 (Vout) 的溫度特性
在較寬的溫度范圍內可以獲得非常大的電壓變化，這種電壓變化作為溫度信息來(lái)處理。具體而言，如果直接與微機的AD端口連接并進(jìn)行AD轉換，則能夠利用微機的邏輯將該AD值作為溫度信息進(jìn)行處理。例如，當在某個(gè)溫度下發(fā)出警告時(shí)，編程為當檢測到與該溫度對應的AD值時(shí)發(fā)出警告。
值得注意的是，這是一個(gè)很大的電壓變化。您是否注意到圖2的電路圖在A(yíng)D轉換器 (ADC) 之前沒(méi)有放大器?不限于溫度傳感器，通常來(lái)自電子裝置中使用的傳感器的信號非常微弱，并且需要一些放大器 (信號放大器) 。熱敏電阻是少數不需要放大器的傳感器。
這里考慮一下ADC的分辨率。如圖2所示，假設施加至熱敏電阻的電壓與向微機內的ADC供給的電壓相同，并且ADC的輸入范圍為0V~3V。如果ADC的分辨率為10位，則量化單元 (LSB:LeastSignificant Bit) 變?yōu)榇蠹s3mV。
另一方面，在與圖3相同的溫度范圍，即-20°C~+85°C下，能夠得到的單位溫度的電壓變化 (增益) 如圖4所示。即使在增益最小的溫度范圍的上限和下限，也可以獲得約10 mV/°C的增益。此時(shí)，1 LSB相當于約0.3°C。即使安裝在微型計算機中的10位ADC也可以預期約0.3°C的溫度分辨率。當然,在室溫附近存在30 mV/°C以上的增益，因此1 LSB為0.1°C以下。
圖4. 表示單位溫度的電壓變化 (增益)
使用配備有微型計算機的標準ADC，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電路輕松形成溫度檢測電路。這是熱敏電阻廣泛用于電子設備溫度檢測的主要原因。
簡(jiǎn)單電路&高精度溫度測定
那么，使用普通熱敏電阻和電阻可以獲得多少溫度測量精度?
我們再看一下圖3。該圖是使用電阻值容許差±1%的熱敏電阻和電阻器時(shí)的電壓溫度特性。對得到的電壓的中心值和細線(xiàn)根據部件的最大容許差等計算的電壓的上下限值進(jìn)行繪圖。由于幾乎看不到差，因此，將中心值為零時(shí)的上下限值換算為溫度的圖表如圖5所示。
圖5. 對圖3中Vout誤差溫度進(jìn)行換算
結果顯示，在+60°C下產(chǎn)生約±1°C的誤差，在+85°C下產(chǎn)生約±1.5°C的誤差。為了監測電子設備內部的溫度，例如基板溫度，可以預期足夠可靠的溫度測量精度。
因為正在使用的器件和電路具有極大的簡(jiǎn)單性，讀者應該可以理解片式NTC熱敏電阻的高性?xún)r(jià)比。
村田的輔助設計工具
對于以上的計算和圖表制作，村田制作所提供了很方便的免費線(xiàn)上輔助設計工具SimSurfing。
村田制作所SimSurfing輔助設計軟件界面
在設計溫度檢測電路時(shí)，很難對 “根據溫度能得到什么樣的電壓變化?”進(jìn)行成像。
SimSurfing是一款直觀(guān)操作仿真軟件，可以選擇熱敏電阻和電阻的常數以及使用它們的電路，并且可以在圖表中確認獲得的電壓變化和預期的溫度誤差水平。
此外，由于所有計算結果都可以保存為1°C步驟的文本數據，因此可以使用設計者自己的電路模擬器和電子表格軟件繼續檢查結果。
SimSuring還具有計算獲得的電壓溫度特性的近似公式和相反地從電壓獲得溫度的溫度電壓特性的功能。當您通過(guò)計算在程序中計算從電壓到溫度的轉換時(shí)，請使用它。
總結：為什么選擇熱敏電阻
選擇NTC熱敏電阻監控5G設備中的溫度，是因為熱敏電阻的布置自由度大，有很好的成本降低和小型化空間，此外，還能夠以簡(jiǎn)單的電路得到預期的精度。
實(shí)際上，設計工程師還是需要適當的時(shí)間和精力來(lái)掌握諸如來(lái)自熱敏電阻的溫度信息和電子設備的狀態(tài)的驗證，包括如何進(jìn)行ADC周?chē)膬?yōu)化等。但是，一旦采用熱敏電阻，工程師就可以享受到上述提到的優(yōu)點(diǎn)。
村田制作所不僅將提供出色的熱敏電阻，還通過(guò)設計支持工具和傳感器周?chē)臒嵩O計支持，幫助進(jìn)入5G時(shí)代的電子設備設計工程師監測溫度。
推薦閱讀：
