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PCB設(shè)計(jì):使用負(fù)溫度系數(shù)電阻NTC來設(shè)計(jì)溫度量測線路

發(fā)布時(shí)間 :2017-12-27 11:11 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計(jì)部
關(guān)于NTC介紹
由于負(fù)溫度系數(shù)電阻(negative temperature coefficient resistor,以下簡稱NTC)本身在一個(gè)100度以上的溫度范圍內(nèi)的電阻值變化非常巨大。從室溫25°C到150°C的電阻值差了32倍以上。以NCP18XH103F0SRB為例,25°C的電阻為10k?,而在150°C的電阻為0.3085k?。根據(jù)PCB設(shè)計(jì)電路的特性,如果使用單一NTC量測大范圍的溫度,例如-40°C到+125°C,會(huì)造成溫度量測系統(tǒng)在某個(gè)溫度范圍的分辨率低。
 
此文介紹了使用一個(gè)額外的電阻并聯(lián)在NTC兩端,并透過串聯(lián)和并聯(lián)電阻的阻值調(diào)控溫度量測線路的輸出電壓在一個(gè)特定溫度范圍內(nèi)有較好的分辨率。此文說明了在低分辨率下,線路各元件的誤差降低了溫度量測的精度。這也反映了提高分辨率的重要性。
 
文章內(nèi)容
NTC是熱敏電阻的一種。熱敏電阻(thermistor)是一種傳感器電阻,電阻值隨著溫度的變化而改變。熱敏電阻的英文「thermistor」是由Thermal(熱)及resistor(電阻)兩詞組合而成。熱敏電阻屬可變電阻的一類,廣泛應(yīng)用于各種電子元件中,例如涌流電流限制器、溫度傳感器、可復(fù)式保險(xiǎn)絲、及自動(dòng)調(diào)節(jié)的加熱器等熱敏電阻分為正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)兩大類,此文所提的NTC則是一種電阻值隨溫度升高而降低的熱敏電阻。NTC也常被用于低精度的溫度量測系統(tǒng)上,作為產(chǎn)品的溫度監(jiān)控和過溫保護(hù)的元件之一。
 
圖1是常見的應(yīng)用線路,由一個(gè)串聯(lián)電阻Rs和NTC組成的分壓PCB設(shè)計(jì)電路。透過類比轉(zhuǎn)數(shù)位轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter以下簡稱ADC)量測分壓Vo可以得知該NTC所處的溫度。
圖1是常見的應(yīng)用線路,由一個(gè)串聯(lián)電阻Rs和NTC組成的分壓PCB設(shè)計(jì)電路。透過類比轉(zhuǎn)數(shù)位轉(zhuǎn)換器(analog to digital converter以下簡稱ADC)量測分壓Vo可以得知該NTC所處的溫度。
電阻-溫度特性曲線
 
這PCB設(shè)計(jì)電路看似再簡單不過了,但它存在著在高溫區(qū)的分辨率過低的缺點(diǎn)。NCP18XH103F0SRB(*1)是一顆誤差1%,在25°C時(shí)的電阻為10k?,操作溫度-40°C至+150°C的NTC。根據(jù)NCP18XH103F0SRB的規(guī)格書所描繪出來的電阻-溫度特性曲線顯示在圖2。
 
若圖1的Vbias定在5V,Rs定在10k?搭配NCP18XH103F0SRB,所得出的Vo對溫度的特性曲線如圖3. 從圖3可以觀察到,從70°C到125°C這段的Vo變化變得較為和緩,附帶的結(jié)果就是在同樣的ADC解析度下,ADC感測的溫度解析度降低。若進(jìn)行最壞情況PCB設(shè)計(jì)電路分析(Worst-Case Circuit Analysis, WCCA)時(shí),更可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)量測系統(tǒng)的總誤差在高溫的區(qū)段會(huì)有相當(dāng)大的溫度誤差。而通常過溫保護(hù)線路所關(guān)心的是在高溫的淮確度。
Vo對溫度特性曲線
 
解決方法不外乎有兩點(diǎn),第一種方法是選用高精度的零件。但這直接提高了成本。第二種方法是并聯(lián)一個(gè)電阻Rp在NTC兩側(cè),形成圖4的PCB設(shè)計(jì)電路。
 
NTC并聯(lián)Rp的溫度量測PCB設(shè)計(jì)電路
 
如此一來,選擇特定的Rs和Rp即可調(diào)整Vo對溫度特性曲線。若Rs為2.2k?,Rp為4.7k?,則Vo對溫度特性曲線如圖5所示。這樣的配置可以讓高溫的區(qū)段有比較大的負(fù)斜率,從而提高Vo的分辨率。
 
NTC并聯(lián)Rp后的Vo對溫度特性曲線
 
帶有Rp的溫度量測線路附帶了另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn),透過調(diào)控Rp可以改變在-40°C時(shí)Vo電壓。如果量測系統(tǒng)含有MCU,那么可以在韌體中加入線路的stuck-at-high的診斷功能。根據(jù)電路的設(shè)計(jì),在-40°C的Vo為3.38V,如果系統(tǒng)有某些故障發(fā)生造成Vo出現(xiàn)5V的情形,則判斷為系統(tǒng)中的溫度量測線路出現(xiàn)故障。
 
另外,對于stuck-at-low的診斷功能,如果使用圖1的特性曲線,由于在150°C的Vo太接近0V,對于單電源的op amp會(huì)有無法輸出接近0V的電壓。若根據(jù)圖5 的特性曲線,在150°C的Vo為0.581V。對于大部分單電源的op amp來說,即使考慮了最差情況PCB設(shè)計(jì)電路分析(WCCA),要輸出0.581V不是問題。
 
結(jié)論
透過增加的Rp電阻,并調(diào)整Rs和Rp的阻值可以調(diào)整溫度量測線路的輸出電壓在一個(gè)特定溫度范內(nèi)有較好的分辨率,也較容易在系統(tǒng)中加入stuck-at-high,stuck-at-low 的診斷功能。


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