自進入IC設計時代,IC溫度感測器不經意就成為元件設計的一部分。IC設計人員歷經波折,試圖將溫度對晶片系統的影響降到最小。峰迴路轉,一位IC設計師突然有了一個絕妙的想法:何不積極開拓利用主動電路p-n結的溫度行為,而不是侷限於絞盡腦汁將其影響最小化。將數位功能整合到同一晶片的設計師更是腦洞大開,也正是他們,才能孕育出目前的溫度感測器IC。

整合的溫度感測器可以輕鬆解決-55~200℃溫度範圍內的大部分溫度感測難題。

輸入端

溫度感測器IC的輸入是環境溫度。換句話說,封裝周圍的環境溫度會改變內部電晶體的行為(圖1)。

20180126T01P1 圖1 這一概念電路顯示了匹配的電晶體如何檢測溫度。

溫度感應設計透過巧妙的配置和計算來消除電晶體飽和電流(IS)的影響。使用恆流源(IC),以及電晶體和等同電晶體陣列間的開關很容易控制飽和電流。在圖1中,可看到VBE和VBE(N)間的差如何輕鬆對應溫度變化。

公式1顯示了電晶體基極-發射極電壓VBE的值。

20180126TA01P1-1

其中:

k是波茲曼常數(Boltzmann constant),等於1.38×10-23J/K;

q等於1.6021765×10-19C;

T是以K為單位的溫度。

公式2顯示許多並聯電晶體的基極-發射極的VBE(N)值。

20180126TA01P1-2

如果將電流源IC從一條接腳切換到另一條接腳,則公式3顯示這兩個基極-發射極電壓間的差。

20180126TA01P1-3

透過計算,得出:

CONSTANT=k×ln(N)/q或86.25×10-6×ln(N)。

從概念上講,它讓你知道如何在IC級快速測量溫度。對圖1所示電路做少許改進,IC溫度感測精度可高達±0.4℃。

輸出端

現在有了準確的溫度讀數,如何向外界呈現該最終數值很重要。顯示溫度資料有兩種基本方法:類比電壓或數位值。

類比電壓輸出非常容易讀取。使用適當的溫度感應裝置,可以捕獲類比訊號,將其轉換為數位表示或回饋到電路中的某個點。

溫度感測器的數位輸出能力更有趣。有許多輸出類型可選,但主要是1線、2線或3線輸出。

1線數位輸出可提供脈衝寬度調變(PWM)的脈衝計數訊號或簡單的閾值/開關訊號。這兩種訊號在風扇控制電路中都很有用;2線數位輸出提供I2C或SMBus訊號,數位結果是內部類比數位轉換器的副產品,還可以看到代表閾值溫度和可能的錯誤條件的數位輸出;3線數位輸出提供一個SPI介面。

溫度感測元件晶圓級封裝

每個產品都有從粗陋到精細的發展過程,溫度感測器系列也在不斷改進。該產品系列接下來將在元件封裝的尺寸上有巨大突破。最新溫度感測元件的外殼採用晶圓級封裝(WLP)。

1998年,桑迪亞國家實驗室(Sandia National Laboratories,SNL)和富士通(Fujitsu)開發了WLP。該封裝在切割製程之前,已完成晶圓級製造。該封裝的組裝以標準的表面黏著技術(SMT)實現。

這種封裝技術帶來了超小型封裝外形和低θ結-環境值。這一代溫度感測器的尺寸使標準0603封裝的標準0.1μF電容相形見絀(圖2)。

20180126TA01P2 圖2 WLP溫度感測器(U1/MAX31875)尺寸比SMT的0.1μF電容(C1)小。

就像炒菜一樣簡單

因為新封裝尺寸小,可以將溫度感測器任意放置在PCB上,就像你做晚餐時撒鹽和胡椒一樣。最新一代的溫度感測器可以在僅佔0.76mm2 PCB面積的封裝內實現±0.4℃的精準度。

(參考原文: What’s for dinner? Cooking with a temperature sensor,by Bonnie Baker)