基于片式NTC熱敏電阻的5G設備溫度監控

2020年，5G終于真正到來了。設計工程師們目前非常關注的一個問題是，5G技術在各種設備被廣泛應用，是否會增加電子設備發熱風險?

5G設備中通信速度急劇增加，相關部件的負載也會增加。每個部件必須在單位時間內處理的信息量也會急劇增加。

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。

這些說明電子裝置內部將有更多發熱源。

而且，多個發熱源以復雜方式工作的電子裝置內，發熱源之間還會相互傳熱影響。以往對單一發熱源采取的一些措施，可能并不適用于同時處理多個功能熱點的狀態。

監測基板溫度的重要性

基于上述背景，監測基板上多個位置的溫度、并根據電子設備的復雜功能去控制作為發熱源部件性能變得越來越重要性。

例如，當執行處理器加載很大的應用程序時，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，則性能會降低，且不能超過閾值溫度控制。此時，如果向處理器供電的電源部分的發熱很大，并且處理器能夠接收到來自電源部件的發熱，則處理器的溫度就可能急劇上升。要同時考慮處理器周圍和電源IC周圍的溫度，就有必要更精細地控制每個器件的性能。

在基板上進行器件溫度控制的同時還需注意，由于發熱器件持續產生熱量，可能需要最終的過熱保護——例如顯示警告或切換至關閉狀態等。

基板上不僅需要考慮每個發熱源，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圍環境的溫度變化。因為，如果不監測發熱源周圍的溫度，就不可能進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表面貼裝安裝熱敏電阻。

這類熱敏電阻作為溫度傳感器使用，配置自由度非常高，只要通過將傳感器放置在要測量的位置來檢測溫度即可。

此外，片式NTC熱敏電阻已經建立了各種批量生產技術、構造和管理方法，能夠大量生產具有不同特性的許多品種。增加產量只需使用相應的大規模生產設備和工藝方法，從而很容易降低成本。

每個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勢、體積小，而且可以在未來得到進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例

將熱敏電阻和電阻串聯，施加恒定電壓。這時的分壓與熱敏電阻的溫度的關系如圖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處理。具體而言，如果直接與微機的AD 端口連接并進行AD轉換，則能夠利用微機的邏輯將該AD值作為溫度信息進行處理。例如，當在某個溫度下發出警告時，編程為當檢測到與該溫度對應的AD值時發出警告。

值得注意的是，這是一個很大的電壓變化。您是否注意到圖2的電路圖在AD轉換器 (ADC) 之前沒有放大器?不限于溫度傳感器，通常來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) 變為大約3mV。

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，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。