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电子系统过热保护新型温度传感器

作者：付佳晖  … 文章来源：E代电子 点击数：225 更新时间：2005-05-28
电子系统过热保护新型温度传感器  

付佳晖  张凡琪 等

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Z-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VR和反向电流IR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IR和温度T呈非线性关系在温度较低时（如T1），反向电流IR1很小，元件具有很低的静态功耗；在温度较高时（如T2），反向电流IR2急剧增加，元件具有正温度系数和很高的温度灵敏度ST：
  （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，ST较小；若温度设定点较高，则ST较大。
反偏温敏Z-元件作为测温元件时，国内外通常采用微型仪表风扇作为控温系统的执行元件。当温度达到设定值时，微型风扇启动降温；当温度低于设定值时，微型风扇停转，达到温度恒定的目的。微型风扇的额定电压一般为5V或12V，Z-元件承受的反向电压VR也为5V或12V。
由图1（b）可知若温度设定点为T=70℃，VR=12V时，反向电流IR的温度灵敏度为：
mA/℃ （2）
常温T=25℃时，IR=10µA，静态功耗P0=IRVR=10µA×12V=0.12mW；
同样，温度设定点为T=70℃、VR=5V时，反向电流IR的温度灵敏度为：
mA/℃   （3）
常温T=25℃时，IR=4µA，静态功耗P0=IRVR=4µA×5V=0.02 mW。
说明Z-元件反偏使用时，静态功耗很低，有利于电池供电。
再从测温元件的动特性考虑，温敏Z-元件本身体积很小，是直径为1.2mm的包封球型体，由于包封材料属特殊导热绝缘树酯，所以温敏Z-元件传热快、热惯性小具有良好的动态响应。实测表明，温敏Z-元件的纯滞后时间接近零，时间常数大约为1s～2s。因而，无论从静特性还是动特性来看，反偏温敏Z-元件都是较理想的测温元件，将其用于温控系统会得到良好的动态品质和较小的静态偏差。
三、最简控温电路及其工作原理
由温敏Z-元件构成的控温最简电路如图2（a）所示。它仅由温敏Z-元件Z、采样电阻RL、N-沟道增强型场效应晶体管T和微型仪表风扇F四部分组成。其中，温敏Z-元件处于反偏工作组态，作为控温系统的核心，它和采样电阻RL构成温度传感器来检测壳内空间或CPU的温度。场效应管T为驱动部件，微型仪表风扇F为执行部件，用以增加气流流通，降低壳体空间或CPU的温度。由于国内外用于CPU过热保护的电路的驱动部件和执行部件几乎都采取这种结构，因而这一部分是通用的。控温系统的设计关键是温度传感器部分与通用的驱动执行部分之间如何实现有机地配合。在温度传感器中，温敏Z-元件与采样电阻RL相串联，输出电压V01为两者的分压。当温度变化时，反偏温敏Z-元件内阻发生变化，引起反向电流IR成比例的变化，通过采样电阻RL可转换成输出电压信号V01。输出电压V01一路直接引出用于检测温度，实现在线温度指示；另一路作用于场效应管栅极，驱动风扇F进行温度控制。该温度传感器仅有电源E、地和输出V01三个引出端子，是典型的三端式或一线（1—wire）式结构，方便控温系统的安装使用方便。在图2（a）中，场效应管T作为反相器，处于工作状态。若采用2N7000型场效应管，其开启电压VT的标称值为2.0V，经实测，其输入电压V01（即VG）与输出电压V0（即VD）之间的传输特性如图2（b）所示。由图2（b）可知，场效应管的电压传输特性不是理想的“开关”特性。当V01<1.5V时，V0=VOH≌E；当V01>2.04V时，V0=VDSS≌0；当1.5V实现闭环温度控制。
温敏Z-元件选定后，合理地选择采样电阻RL的阻值是设计的关键，选择原则是：CPU处于常温工作状态时(一般T=25°C,最高可达T=35°C)，应使V01<1.5V，并使温度设定值（一般温度设定值较高，例如T=70°C，或其它高于常温的设定值）相应的V01=2.04V。这样一来，CPU处于正常工作状态时，场效应管T截止，V0=VOH≌E，风扇F不致启动。若因某种原因CPU过热而温度攀升，由于反偏温敏Z-元件温度灵敏度很大，使V01急剧增加。当达到温度设定值相应的V01=2.04V时，场效应管T开启导通，使V0=VOL≈0，风扇F启动并满负荷旋转，壳内空气开始流通，CPU得以降温。如此往复，经过一定的调节周期后，可使CPU的温度稳定于温度设定值，达到闭环控温的目的。
设计实例：选用批号为018-1的温敏Z-元件—其反偏时最高工作温度可达到125℃，工作电压为5V的仪表风扇和2N7000型场效应管，确定温度设定值T为70℃，电路工作电压E为5V。为保证当温度达到设定值时，场效应管T开启导通并驱动风扇启动，选取78.5kW的电阻为采样电阻。当采样电阻确定后，还应检验其常温运行状态。由图1（b）可知，T=25℃时，IR=4µA，输出电压V01=4µA×78.5 kΩ =0.31V。当环境温度升高到最大值30℃时，IR=5µA，输出电压V011=5µA×78.5kΩ =0.39V，均可保证场效应管T截止，同时V0=VOH≈E，风扇不致启动，而且保持温度传感器具有最低功耗，此采样电阻设计值是合理的。
四、性能分析和方案论证
因为其自身的重要性，国内外正在大力发展CPU过热保护技术。新方法、新工艺、新电路不断的出现，介入的公司也越来越多。国外公司利用半导体平面工艺的技术优势，已研制出多种集成温控开关推向市场，但这些产品大多控温精度较低，价格较贵。我国现在已成为全球半导体器件，特别是热敏电阻的生产与供应基地，在供应批量与生产成本上具有绝对优势。因而在CPU过热保护领域，我国应根据国情充分发挥这一优势参与国际竞争。目前，国内研发的CPU过热保护产品多从NTC热敏电阻、PTC铂热敏电阻出发，而我们则是走了利用反偏Z-元件温度传感器的道路。下面就根据CPU过热保护的特殊性要求，从控温精度、生产成本、空间体积、静态功耗等四个方面对上述方法进行分析对比。
由NTC热敏电阻和PTC铂电阻构成的温控开关分别如图3（a）和（b）所示。
图3（a）是采用了NTC热敏电阻的开关。选取了B值为4400的NTC电阻，当R1=460KW，E=5V时，其功耗电流I0=5.4µA，静态功耗P0= 0.03mW，实现了低功耗的目的。但其温度灵敏度较低，经计算，ST仅为30mV/℃～40mV/℃。该开关的封装形式分为塑封与球封两种规格，间常数分别为30s和20s。NTC热敏电阻价格适中，但灵敏度较低，控温精度也受到限制，并且还需配用低功耗集成比较器，这会提高附加成本，并增大空间体积。
图3（b）所示开关采用了PTC铂电阻，线性好、时间常数小、动态响应快是其突出优点。但其温度灵敏度很低，如采用有最大阻值的Pt1000型，经计算，其温度灵敏度仅为3.63mV/℃。由于其阻值小，很难实现低功耗，再加上价格较贵，因而在电池供电的CPU过热保护应用中不具备市场竞争优势。
与NTC热敏电阻和PTC铂电阻相比，采用反偏Z-元件实现CPU过热保护具有下述优点：
（1）温度灵敏度高。该值经筛选可达100mV/℃～150mV/℃，高于现今国内外任何一种温敏元件。时间常数小，现行球型包封时间常数约1s～2s，改进成陶瓷厚膜封装后，时间常数还可进一步降低，能实现较高的控温精度。国外普通型集成温控开关控温精度在±2℃～±3℃，采用反偏Z-元件控温精度可提高到±1℃以内，甚至更高一些。
（2）电路结构最简。除感温元件外，实现测温仅需附加一个采样电阻。这种三端式结构占用空间小，易于安装，使用方便；并且电路简单，焊点少，固有可靠性高。
（3）静态功耗低。5V供电时，常温功耗电流为4µA，静态功耗为0.02mW；12V供电时，功耗电流为10µA，静态功耗为0.12mW，而且环境温度越低，静态功耗越小。国外集成温控开关的最新产品其功耗电流也可降低到5µA～6µA，但售价较高，千只批量售价都在2美元/只～3美元/只以上。
（4）反偏Z-元件批量生产单只成本很低。附加贴片采样电阻后，温度传感器总体价位也远低于NTC热敏电阻本身，具有很强的价格优势。
因此，采用反偏Z-元件实现CPU的过热保护，与国内现行方法相比，具有很高的性能价格比，是较理想的实施方案。
五、结论
利用反偏温敏Z-元件实现对CPU的过热保护是Z-元件应用领域的新扩展。本文提供的技术方案与国内外同类产品相比，具有许多优点，商品化后必然具有较强的市场竞争力。希望有志于对电子系统进行热保护、热管理的广大用户研究、改进，加盟合作，共同实现产业化。

参考文献：
[1]付云鹏. Z-半导体敏感元件原理与应用（1），Z-元件及其应用开发综述[J]. 传感器世界，No2，2001
[2]王建林. Z-半导体敏感元件原理与应用（3），温敏Z-元件及其应用[J]. 传感器世界，No6，2001
[3]芦潇静.MAX6685/6686在CPU温度保护中的应用[J]. 今日电子， No5，2004
[4]方佩敏.集成温度传感器MAX6611[J]. 传感器世界，No2，2003

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