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PCB设计:使用负温度系数电阻NTC来设计温度量测线路

发布时间 :2017-12-27 11:11 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
关于NTC介绍
由于负温度系数电阻(negative temperature coefficient resistor,以下简称NTC)本身在一个100度以上的温度范围内的电阻值变化非常巨大。从室温25°C到150°C的电阻值差了32倍以上。以NCP18XH103F0SRB为例,25°C的电阻为10kΩ,而在150°C的电阻为0.3085kΩ。根据PCB设计电路的特性,如果使用单一NTC量测大范围的温度,例如-40°C到+125°C,会造成温度量测系统在某个温度范围的分辨率低。
 
此文介绍了使用一个额外的电阻并联在NTC两端,并透过串联和并联电阻的阻值调控温度量测线路的输出电压在一个特定温度范围内有较好的分辨率。此文说明了在低分辨率下,线路各元件的误差降低了温度量测的精度。这也反映了提高分辨率的重要性。
 
文章内容
NTC是热敏电阻的一种。热敏电阻(thermistor)是一种传感器电阻,电阻值随着温度的变化而改变。热敏电阻的英文「thermistor」是由Thermal(热)及resistor(电阻)两词组合而成。热敏电阻属可变电阻的一类,广泛应用于各种电子元件中,例如涌流电流限制器、温度传感器、可复式保险丝、及自动调节的加热器等热敏电阻分为正温度系数和负温度系数两大类,此文所提的NTC则是一种电阻值随温度升高而降低的热敏电阻。NTC也常被用于低精度的温度量测系统上,作为产品的温度监控和过温保护的元件之一。
 
图1是常见的应用线路,由一个串联电阻Rs和NTC组成的分压PCB设计电路。透过类比转数位转换器(analog to digital converter以下简称ADC)量测分压Vo可以得知该NTC所处的温度。
图1是常见的应用线路,由一个串联电阻Rs和NTC组成的分压PCB设计电路。透过类比转数位转换器(analog to digital converter以下简称ADC)量测分压Vo可以得知该NTC所处的温度。
电阻-温度特性曲线
 
这PCB设计电路看似再简单不过了,但它存在着在高温区的分辨率过低的缺点。NCP18XH103F0SRB(*1)是一颗误差1%,在25°C时的电阻为10kΩ,操作温度-40°C至+150°C的NTC。根据NCP18XH103F0SRB的规格书所描绘出来的电阻-温度特性曲线显示在图2。
 
若图1的Vbias定在5V,Rs定在10kΩ搭配NCP18XH103F0SRB,所得出的Vo对温度的特性曲线如图3. 从图3可以观察到,从70°C到125°C这段的Vo变化变得较为和缓,附带的结果就是在同样的ADC解析度下,ADC感测的温度解析度降低。若进行最坏情况PCB设计电路分析(Worst-Case Circuit Analysis, WCCA)时,更可以发现整个量测系统的总误差在高温的区段会有相当大的温度误差。而通常过温保护线路所关心的是在高温的淮确度。
Vo对温度特性曲线
 
解决方法不外乎有两点,第一种方法是选用高精度的零件。但这直接提高了成本。第二种方法是并联一个电阻Rp在NTC两侧,形成图4的PCB设计电路。
 
NTC并联Rp的温度量测PCB设计电路
 
如此一来,选择特定的Rs和Rp即可调整Vo对温度特性曲线。若Rs为2.2kΩ,Rp为4.7kΩ,则Vo对温度特性曲线如图5所示。这样的配置可以让高温的区段有比较大的负斜率,从而提高Vo的分辨率。
 
NTC并联Rp后的Vo对温度特性曲线
 
带有Rp的温度量测线路附带了另一项优点,透过调控Rp可以改变在-40°C时Vo电压。如果量测系统含有MCU,那么可以在韧体中加入线路的stuck-at-high的诊断功能。根据电路的设计,在-40°C的Vo为3.38V,如果系统有某些故障发生造成Vo出现5V的情形,则判断为系统中的温度量测线路出现故障。
 
另外,对于stuck-at-low的诊断功能,如果使用图1的特性曲线,由于在150°C的Vo太接近0V,对于单电源的op amp会有无法输出接近0V的电压。若根据图5 的特性曲线,在150°C的Vo为0.581V。对于大部分单电源的op amp来说,即使考虑了最差情况PCB设计电路分析(WCCA),要输出0.581V不是问题。
 
结论
透过增加的Rp电阻,并调整Rs和Rp的阻值可以调整温度量测线路的输出电压在一个特定温度范内有较好的分辨率,也较容易在系统中加入stuck-at-high,stuck-at-low 的诊断功能。


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