NTC溫度傳感器在筆記本電腦的應(yīng)用--溫度傳感器與控制技術(shù)

       由于計算機效能不斷的推陳出新，愈來愈多的功能被整合到計算機中。因此，計算機的處理量與日俱增，這些資料包含多媒體數(shù)據(jù)及3D動畫資料。為了滿足大量的數(shù)據(jù)處理需求，愈來愈多的芯片組被放入主機中，同時，CPU及芯片組的工作頻率也不斷提高。更多的芯片組及更快的時鐘頻率意味著更多熱量的產(chǎn)生。

對于筆記本電腦，用戶除了要求系統(tǒng)具有更好的效能外，在外觀上，還要求輕、薄、小，這是設(shè)計人員所面臨的另一挑戰(zhàn)。在有限的空間內(nèi)，如何耗散系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量是一個棘手問題。如何兼顧系統(tǒng)效能、系統(tǒng)舒適度 (包括筆記本電腦外殼的溫度、風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的噪音)、及系統(tǒng)運行時間，是筆記本電腦設(shè)計的一個重要課題。

筆記本電腦中需要監(jiān)測溫度的組件 CPU為系統(tǒng)中最大的熱源，目前筆記本電腦普遍使用的Intel Dothan處理器其瞬間最大功耗約為37W，AMD ATHLON處理器其瞬間最大功耗約為35W至40W，Intel下一代Merom處理器的瞬間最大功耗將高達(dá)50W。CPU是計算機中溫度檢測的重要目標(biāo)。目前，無論是Intel或AMD的CPU，CPU內(nèi)部都含有提供遠(yuǎn)程溫度檢測用的二極管，以提供溫度傳感器，直接檢測CPU內(nèi)部管芯的溫度，并對其進(jìn)行精確的溫度控制。

處理芯片 (GPU) 是除了CPU之外，系統(tǒng)中的另一個重要的熱源。由于液晶顯示器分辨率的增高，圖形處理芯片的數(shù)據(jù)處理量也大大增加，為了讓圖形處理芯片可靠工作，目前普遍使用的圖形處理芯片，也和CPU一樣，均內(nèi)含提供遠(yuǎn)程溫度檢測的二極管，以便直接檢測圖形處理芯片內(nèi)部管芯的溫度，并對其進(jìn)行溫度控制。筆記本電腦中，其它可能需要進(jìn)行溫度檢測及控制的組件還包括DDR內(nèi)存、硬盤和光驅(qū)。溫度檢測的目地是讓筆記本電腦的嵌入式微控制器能對筆記本電腦作適當(dāng)?shù)碾娫垂芾砑盁峁芾怼?/span>

精確可靠的溫度檢測在筆記本電腦的應(yīng)用上具有下列優(yōu)點：

一. 精確的溫度檢測能讓系統(tǒng)發(fā)揮最高的效能：當(dāng)組件實際溫度并未到達(dá)系統(tǒng)降頻的臨界點時，因為溫度傳感器檢測誤差，可能使系統(tǒng)降頻動作提早發(fā)生，這會使系統(tǒng)無法發(fā)揮最大的效能。

二. 精確的溫度檢測能降低系統(tǒng)噪音并延長計算機電池使用時間：如果溫度傳感器的檢測溫度高于系統(tǒng)實際溫度，將造成風(fēng)扇提早運轉(zhuǎn)，或風(fēng)扇轉(zhuǎn)速比實際需求高，這將造成系統(tǒng)不必要的風(fēng)扇噪音及功耗。

三. 精確的溫度檢測能提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，增加產(chǎn)品競爭力：如果溫度傳感器的檢測溫度低于系統(tǒng)實際溫度，可能在系統(tǒng)實際溫度已到達(dá)降頻臨界點時系統(tǒng)仍然保持較高的工作頻率，從而造成系統(tǒng)癱瘓甚至損壞。此外，精確的溫度檢測允許系統(tǒng)使用最小的散熱模塊，如此可以降低散熱模塊成本，增加產(chǎn)品競爭力。

筆記本電腦常用的NTC溫度傳感器

熱敏電阻和集成溫度傳感器是筆記本電腦常用的兩種溫度傳感器，以下我們將探討這兩種溫度傳感器的工作原理及使用。

熱敏電阻

熱敏電阻按溫度對電阻特性變化一般可分為正溫度系數(shù)熱敏電阻、負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻及臨界溫度系數(shù)熱敏電阻。正溫度系數(shù)熱敏電阻及臨界溫度系數(shù)熱敏電阻的電阻特性會在特定溫度發(fā)生急劇變化，適合用于定溫度檢測或限制在較小的溫度范圍內(nèi)。負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻主要為氧化錳、氧化鈷、氧化鎳、氧化銅和氧化鋁等金屬氧化物的復(fù)合燒結(jié)體，這些金屬氧化物材料都具有半導(dǎo)體性質(zhì)，當(dāng)溫度較低時，半導(dǎo)體內(nèi)的電子-空穴對兒數(shù)目較少，因此電阻較高。當(dāng)溫度升高時，熱敏電阻內(nèi)的電子-空穴對兒數(shù)量增加，因此導(dǎo)電率增加，電阻值下降。圖2為典型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻特性曲線，電阻和溫度之間的關(guān)系式如下：

R0、R 分別是環(huán)境溫度為T0、T(K) 絕對溫度時的電阻值。B是熱敏電阻的常數(shù)，B常數(shù)通常介于2500K至5000K范圍內(nèi)。

圖3為典型負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻的應(yīng)用電路。利用筆記本電腦嵌入式微控制器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 所讀到的電壓值推算出NTC的電阻值，因而推算出環(huán)境溫度。利用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻測量溫度時誤差很大，誤差來源包括NTC本身的誤差、提升電阻的誤差、偏壓電源 (VCC) 的誤差、ADC的誤差及測量噪聲所造成的誤差。從成本考慮，如果只考慮負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻本身的價格，這是一個廉價的解決方案。但若把偏壓電路和額外的ADC成本一并考慮進(jìn)去，成本可能增加。

集成溫度傳感器

集成溫度傳感器是目前筆記本電腦普遍采用的溫度傳感器，具有精確度高、響應(yīng)速度快、體積小、功耗低、軟件界面控制方便等優(yōu)點。圖4為典型集成溫度傳感器框圖。溫度檢測的主要機制為集成溫度傳感器內(nèi)部的電流源和ADC，集成溫度傳感器的工作原理是利用半導(dǎo)體PN結(jié)正向壓降在不同的溫度下具有不同導(dǎo)通壓降的特性進(jìn)行溫度測量的。由半導(dǎo)體PN結(jié)伏-安特性曲線：

ID：二極管的正向電流，IS：二極管的反向飽和電流，VD：二極管的正向壓降。

n：二極管的理想因素(一般約為1)，k：波爾茲曼常數(shù) (1.38×10-23 joules/K)。

T：絕對溫度K，q：一個電子的電荷 (1.6×10-19 C)

因為，因此我們可以將式 (2) 簡化為

集成溫度傳感器內(nèi)部的電流源會送出二個不同的電流，ADC在不同電流時讀出不同的二極管正向壓降。也就是當(dāng)電流源送出高電流IDH時，ADC讀數(shù)VDH。IDH和VDH的關(guān)系式為

當(dāng)電流源送出低電流IDL時，ADC讀數(shù)VDL。IDL和VDL的關(guān)系式為

將 (4) 式除以 (5) 式，可得到

將 (6) 式二邊取對數(shù)并作整理，我們可以得到

由于n、k和q為常數(shù)，而IDH和IDL由溫度傳感器內(nèi)部產(chǎn)生，因此由VDH和VDL的變化量我們就可以測出溫度。

遠(yuǎn)程二極管測量回路雜散電阻的影響

實際應(yīng)用中，用于遠(yuǎn)程溫度檢測的二極管位于CPU或圖形處理芯片內(nèi)部，二極管內(nèi)阻及印刷電路板的寄生電阻會影響遠(yuǎn)程溫度測量的準(zhǔn)確度。假設(shè)遠(yuǎn)程二極管測量回路的等效寄生電阻為RP，當(dāng)電流源送出高電流IDH時，ADC實際讀到的電壓VADC_H為:

當(dāng)電流源送出低電流IDL時，ADC實際讀到的電壓VADC_L為

當(dāng) (IDH – IDL)?RP 愈大時，溫度檢測誤差愈大。在此，我們以MAX6642為例，k、q、n由CPU內(nèi)部溫度檢測二極管決定，n ≈ 1.0080，由MAX6642的規(guī)格書可知：IDH =100uA、IDL =10uA，將這些參數(shù)代入 (11) 式，可得：

IDH、IDL的單位為mA，RP的單位為歐姆。在這個例子中，1歐姆的雜散電阻將造成0.45oK的溫度測量誤差。若IDH =200uA，IDL =20uA，則1歐姆的雜散電阻將造成0.9oK的溫度測量誤差。RP的大小與遠(yuǎn)程檢測二極管和印刷電路板的布線有關(guān)，印刷電路板布線必須盡可能降低印刷電路板銅箔所產(chǎn)生的寄生電阻。通常，遠(yuǎn)程二極管測量回路所造成的寄生電阻可能高達(dá)3至4歐姆。(IDH – IDL) 的大小則和集成溫度傳感器有關(guān)，不同的集成溫度傳感器具有不同的 (IDH – IDL) ，在集成溫度傳感器的選擇上，選擇小的 (IDH – IDL)有助于降低寄生電阻造成的溫度測量誤差。

此外，由前面的分析結(jié)果得知，1mV的電壓變化大約等效為5oK的溫度變化，因此，印刷電路板的布線對溫度檢測的準(zhǔn)確度有很大影響。一般溫度傳感器IC的電源輸入端均有一個RC低通濾波器，用以防止高頻噪聲的影響。在印刷電路板零件擺放時，RC濾波器應(yīng)該盡量放在靠近溫度傳感器IC電源輸入引腳的附近。另外，溫度傳感器IC應(yīng)盡量放在靠近溫度檢測二極管的位置。對于差分(DXP、DXN) 連接遠(yuǎn)程溫度二極管的布線一定要采用平行走線，同時這兩條平行布線要彼此靠近，并盡量遠(yuǎn)離磁性組件、高壓信號，避免高速信號的干擾。不當(dāng)?shù)挠∷㈦娐钒宀季€可能導(dǎo)致30oK以上的溫度檢測誤差。

應(yīng)用實例

圖5為筆記本電腦普遍使用的一種溫度控制方案。溫度傳感器IC通過SMBus接口連接到筆記本電腦的嵌入式微控制器，由于溫度傳感器IC與嵌入式微控制器之間為數(shù)字接口，因此溫度傳感器IC在位置上可以遠(yuǎn)離嵌入式微控制器而不會有噪聲干擾問題。MAX6649同時內(nèi)置一個本地溫度傳感器和用于連接遠(yuǎn)端二極管的差分接口。MAX6649的IDH =100uA，IDL =10uA，高精度、小電流的電流源可減小因雜散電阻所產(chǎn)生的測量誤差。差分輸入有助于降低噪聲干擾。圖5所示電路，溫度傳感器IC只負(fù)責(zé)溫度檢測，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制由嵌入式微控制器完成，由軟件實現(xiàn)。為了避免軟件控制的死機問題，MAX6649還集成了保護(hù)功能，當(dāng)溫度到達(dá)第一個高溫臨界點時，MAX6649 ALERT可發(fā)出中斷請求，要求嵌入式微控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理，例如對處理器進(jìn)行降頻；如果上述對策仍無法有效抑制溫度的上升，當(dāng)溫度達(dá)到第二高溫臨界點時，MAX6649 OVERT可以用來控制系統(tǒng)的第二個風(fēng)扇或?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行強制關(guān)機。圖5具有低成本、高精度、使用彈性大等優(yōu)點，但在軟件的設(shè)計上需花費較多的功夫。