4.2 如何监控环境温度

[音乐播放] 大家好，欢迎观看有关环境 温度测量的 TI高精度实验室视频。 在本视频中，我们将讨论一些用于 测量环境温度的设计技术，并介绍 一些示例设计。 在视频结束时，您将能够为测量 环境温度作出有效的设计和布局决定。 环境温度一词具体是什么意思？ 在电子产品的集成电路用语中， “环境温度”一词最常用于指称 所设计的系统周围 环境的温度。 例如，在监测单个组件或 PCB 的温度时，环境温度可 用作对电路板所在壳体 或外壳内温度的指称。 在控制 HVAC 时，环境温度可 用于指称恒温器所在 房间或建筑物的温度。 为了更好地理解环境温度测量， 我们需要了解环境系统的 热特性及其相互之间的关系。 其中最重要的是热质量的概念， 它是系统以热量形式存储 能量的能力。 这取决于热系统中 材料的质量和类型。 在大多数情况下，我们周围环境的 热质量远大于我们用于监测 它的系统。 如果环境温度高于系统温度， 则热量从周围环境流出，从而 导致系统升温。 如果环境温度低于系统温度， 则热量流向周围环境，从而导致 系统降温。 换句话说，无论我们的系统是 从周围环境中获取热能还是向周围环境释放热能， 我们都不希望环境温度因此 发生太大的变化。 实际上，周围环境充当 我们的热能的储存器。 在没有其他影响的情况下，我们的系统中的元件 最终会稳定至与周围环境 相同的温度。 这种与环境之间的热平衡状态正是 我们希望传感元件达到的状态。 对于传感器与周围环境之间 实现热平衡而言，存在一些挑战。 在考虑检测元件周围空气的温度时， 主要的热传递方法是对流， 这表现为许多波。 除非使用风扇等强制装置，否则我们无法控制 对流的速度。 不过，在测量环境温度时，我们不 希望这么做。 对于检测元件周围的热量而言， 始终存在其他传导路径和对流路径。 对于用于正确测量周围环境的传感器而言，我们 希望最大程度地减小这些路径的影响。 检测元件不是唯一与周围环境交换 热量的物体。 包括铜迹线和孔在内的构成电路板的所有 物质都是对流的路径，可以充当 向检测元件传递热能的 路径。 正是该热质量成为了一个问题， 因为电路板上的其他有源器件可能通过 对流直接向我们的传感器传递热量， 或者通过电路板自身上的共享 迹线传导热量。 除器件之外，还有传感器的 自热效应。 由于我们讨论的所有温度传感器 都会消耗一定量的电流，因此始终 会从传感器内部产生热量。 不过，当应用依赖于高精度时， 微安级电流消耗可能是 不可忽略的误差的来源。 如果没有适当考虑这些热源， 那么它们与自热效应相结合， 足以将传感器的稳态温度读数 驱动至远高于环境温度。 那么，我们如何更好地管理这些额外的热源呢？ 第一步，我们可以 尝试减小检测元件 周围的热质量。 这包括最大程度地减少 与电路板上发热器件之间的传导路径， 以及减少我们的传感器释放到任何温度较低的 邻近物质的热量，从而有效地减小 传感器的热质量。 此外，我们还需要使有源器件尽可能远离 我们的传感器。 这样就可以最大程度地降低电路板上的较热组件到 传感器的对流和传导。 最后，我们需要减少自热空气，可以通过 校准或在可用时使用传感器的 较低功耗模式来做到这一点。 对于 IC 温度传感器，这将 等效于以更低的频率进行采样或 在读取操作之间使用关断模式。 让我们来看一些有关如何将传感器 置于电路板上以进行环境测量的示例。 为了获得最佳结果，考虑在您的温度 传感器周围使用PCB 圆角切割， 以更好地阻止温度传感器 通过电路板传导热量，并且减少 检测元件周围的热质量， 以便快速响应。 如果可能，穿孔部件也可以提供 很好的隔离。 如果需要，甚至可以在距离电路板的其余部分 更远的位置分隔和使用穿孔部件。 为了实现最小的热质量，您还可以使用柔性电路板设计， 例如显示的这些电路板设计。 安装在柔性 PCB 上的传感器展示出的 对周围环境的热响应要好 很多。 多远的距离对充分隔离传感器而言是足够的？ 答案取决于几个因素， 包括周围环境温度、电路板的其余 部分上发热IC 的温度 以及电路板上气流的方向和大小。 这包括强制通风和系统 周围的温度梯度产生的自然气流。 屏幕上显示的红外仿真用于 仅包含功率电阻器和高精度 数字温度传感器的测试电路板。 在成像期间，功率电阻器的温度 约为 90 摄氏度。 即使距离是60 密耳，功率 电阻器上仍然存在 余热对流。 因此，我们建议采用 1,200 密耳的 距离，或者大约 38 毫米， 从而使温度如此高的组件 能够散热。 该表显示了针对各种温度的样例 建议距离。 一般而言，最好永远不要在为环境测量 而设计的系统中让您的组件达到 如此高的温度。 我们还可以优化我们的布局，以在您 希望环境具有低湿度或系统的 总寿命不是主要问题时， 帮助我们的传感器更好地与周围环境交换热量。 可以清除覆盖检测元件周围的 迹线的阻焊层， 从而使铜迹线能够直接与 周围环境交换热量。 一般而言，如果您考虑了相应的布局 注意事项，那么就不必在传感器周围 添加额外的铜孔。 例外情况是具有散热焊盘的封装。 如果采用这些封装，那么从响应时间的 角度而言，在器件下方增加通过 Avia 连接到裸片连接焊盘的 传感器铜焊盘可能是有益的。 该铜焊盘无需大于 封装的尺寸，甚至无需 大于散热焊盘的尺寸。 对于没有散热焊盘的传感器， 不必花心思考虑添加额外的铜。 在仅连接到传感器的引线时， 铜带来的额外热质量不足以 改善响应时间。 感谢您观看本有关环境温度