传感技术中的电子系统过热保护新型温度传感器
73 浏览量
2020-11-30
15:56:34
上传
评论
收藏 164KB PDF 举报
传感技术中的电子系统过热保护新型温度传感器传感技术中的电子系统过热保护新型温度传感器
摘要：本文介绍了一种利用温敏Z-元件开发的可用于电子系统过热保护的新型温度传感器，并描述了它的特
性、电路以及参数设计。这种新型温度传感器具有电路简单，温度灵敏度高，成本低，静态功耗小等优点，可
供从事电子系统过热保护设计与开发的广大用户参考。 关键词：Z-元件；温度传感器；热保护；热管理；自热
效应 中图分类号： TP212.11 文献标识码： A 一、引言 随着电子系统性能不断提高，壳体空间不断减小，
因内部散热不畅，其内的功率元件和某些对温度敏感的半导体芯片，特别是CPU的温度急剧攀升，这不但影响
电子产品性能的正常发挥，甚至会影响到电子系统的固有可靠性。 近年来，电子
摘要摘要：本文介绍了一种利用温敏Z-元件开发的可用于电子系统过热保护的新型温度传感器，并描述了它的特性、电路以及参数设计。这种新型温度传感器
具有电路简单，温度灵敏度高，成本低，静态功耗小等优点，可供从事电子系统过热保护设计与开发的广大用户参考。
关键词关键词：Z-元件；温度传感器；热保护；热管理；自热效应
中图分类号： TP212.11 文献标识码： A
一、引言一、引言
随着电子系统性能不断提高，壳体空间不断减小，因内部散热不畅，其内的功率元件和某些对温度敏感的半导体芯片，特别是CPU的温度急剧攀升，这
不但影响电子产品性能的正常发挥，甚至会影响到电子系统的固有可靠性。
近年来，电子产品的性能、集成度在不断提高，工作速度也在不断加快。根据摩尔定律，微处理器CPU、数字信号处理DSP和微控制器MCU的性能每提高
一倍，其功耗也将增加一倍。功耗的增加，势必引起PN结结温的升高，经验表明：PN结的结温每升高10℃，电子系统的故障率就将增加一倍。这样一
来，电子系统的工作性能与工作安全性之间的矛盾将越演越烈，电子产品的热保护或热管理已成为当前硬件系统设计的热点问题。
为解决CPU过热保护问题，国内外进行了大量的研究，采取了很多的方法：从无源散热到有源散热；从低热阻材料的研究到采用冷板、热管、温差致冷，
以及微型热交换器和微型空调系统等新方法都取得了很大的成效。但这些新方法由于受性能、造价和对象空间以及安装方式的制约，仅适用于某些特定场
合，很难普及应用。
电子系统的热管理实际上是电子系统的安全性管理。这种管理方法借助安全系统工程理论，把印制板上的电子系统看作是一个安全管理的对象，把某些局
部过热看作是一种安全隐患，采用安全系统工程技术，对其进行安全性检测、安全性报警和安全性控制。
近年来，美国许多著名公司用闭环恒温控制法解决CPU过热保护问题，推出了一系列集成温控开关[3、4]，典型产品如MAXIM6511、6685、
1669，LM19、26、88，ADM1027、1030、1031等型号，它们工艺成熟并且已大批量生产。这些集成温控开关大体上可分成两类：普通型和高档多功能
型。其中，普通型价位较低，千只批量售价为每只1美元左右，控温精度为±3℃；高档多功能型控温精度可达±0.5℃～±1℃，但价位较高，千只批量售价
为每只2美元～3美元或更高一些。目前，国内采用NTC热敏电阻或PTC铂电阻制造CPU过热保护专用温控开关。
用恒温控制方法解决CPU的过热保护问题，对温控开关的基本要求应该是：控温精度高、生产成本低、体积小、功耗低。为实现这四点基本要求，该温控
开关的设计必须从电路结构、测温元件选型、封装结构和 安装方式等方面进行综合考虑。
我们利用反偏温敏Z-元件研制出一种CPU过热保护的定点、专用新型温度传感器。它具有控温精度高、生产成本低、电路简单、体积小、静态功耗低等特
点，在CPU过热保护领域具有广泛的应用前景。
二、温敏二、温敏Z-元件反偏伏安特性元件反偏伏安特性
在温控系统中，测温元件作为广义控制对象的一部分，其静特性和动特性对控制系统的运行品质十分重要。为了得到满意的动态品质（如调节时间短，超
调量小等）和静态偏差，所选择的测温元件必须滞后时间短、时间常数小，而且应具有较高的温度灵敏度。基于这些特殊要求和对现有测温方法的综合分
析，采用反偏使用的温敏Z-元件可取得满意的控温效果。
温敏Z-元件（简称Z-元件）是一种N区被重参掺补偿的特殊PN结，作为一种两端子敏感元件，在反偏使用时具有较高的输出灵敏度，其灵敏度超过现今任
何一种敏感元件[1、2]。Z-元件的电路符号如图2（a）所示，图中“+”号表示PN结的P区，正偏使用时接电源正极，反偏使用时接电源负极。图1（a）和图
1（b）给出了Z-元件反偏伏安特性。由图1（a）和图1（b）可知，在常温条件下的反向电压V
R
和反向电流I
R
的关系曲线，即反偏伏安特性是一条由座标原
点出发的近似直线。温度较低时，斜率很小，元件有很高的内阻；温度较高时，斜率很大，元件内阻偏低。反向电流I
R
和温度T呈非线性关系，在温度较低
时（如T
1
），反向电流I
R1
很小，元件具有很低的静态功耗；在温度较高时（如T
2
），反向电流I
R2
急剧增加，元件具有正温度系数和很高的温度灵敏度
S
T
：
（1）
由图1（b）可知，温度灵敏度与温度控制系统的温度设定点（即温度设定值）有关，若温度设定点较低，S
T
较小；若温度设定点较高，则S
T
较大。
评论0
最新资源