本文主要针对新型数字式宽量程远程温度传感器的问世、特点及应用作分折并与常规远程温度传感器作比较。 宽量程的温度传感器的问世 利用远程温度传感器监测高性能微处理器和图象处理器的管芯温度现己成为—种很普通的技术，它用于系统的功率和热量等工况的管理。随着时钟速度、电路密度和功率水平的提升，管芯工作温度可能会超出常规温度传感器的量程限。新型温度传感器检测范围已超出旧式器件量程的温度。本文就这种宽量程的温度传感器以及其理论和应用作分折说明。 高速、高性能集成电路IC，如微处理器、图象处理器和FPGA的管芯温度监测中，利用外部双极型晶体管作为敏感元件的数字式远程温度传感器已得到广泛的采用。在这些系统中，要获取最佳性能，同时又避免系统发生灾难性故障，精确的温度监测是关键。系统根据温度监视群的测量结果执行风扇控制和时钟扼制等功能，保持高性能IC工作在安全温度范围以内。在更高温度时，还可用它来关断系统以免发生故障。随着性能和功率水平的提升，则远程温度监视功能变得更加重要，但也更难实现。 实际上，所有的常规数字温度传感器IC的测温上限均小于128℃，很多被限制在100℃以内。很多情况下，这个常规测温范围是足够的。然而，有些时候测量高达150℃的温度非常重要。在此情况下，就需要宽量程的温度传感器了。 宽量程的温度传感器扩展测量温度 典型数字温度传感器IC用一个符号位和七个数值位表示温度，一个LSB(最小有效位)对应于1℃，一个MSB(最大有效位)对应于64℃。尽管有些数字传感器有更多位来表示更高分辨率的温度，但64℃的MSB将最高测量温度限制在128℃以内。 宽量程的温度传感器能够测量的温度远高于这个128℃，通常可达150℃。实现这一任务最方便的方法就是将MSB的权重设置为128℃。这种情况下，温度数据的范围将扩展全255℃，远远超过了可用范围，因为不大可能遭遇127℃以上的温度。由于用来测温的半导体结的局限性，在所测温度超过约150℃时精度下降很快。 一些大功率芯片的最高工作温度依赖于时钟速度、工艺、器件封装和其它各种设计因素。通常，信号的完整性随着温度的升高而变差，直至电路不再满足规范要求，在许多CPU和图象处理器中，这种情况发生在100℃左右，但在—些高性能电路中，正常工作条件可延伸至145℃。如果器件在更宽的温度范围内仍能正常工作，为保证其工作在安全范围内，精确的温度测量非常重要。由于此温度范围的上限已接近晶片的极限温度条件，为避免器件失效和由此而导致的系统关断，温度监视就更加关系重大，见图1所示。从图1宽量程远程温度传感器能够监视高性能器件的整个工作范围中可以看出，它与常规典型的温度传感器检测工作范围之区别，即当被测器件温度在127℃-150℃范围时，则常规典型的温度传感器己无法检测数据，而宽量程远程温度传感器仍能检测数据。 在—些高性能处理器中，由于热敏二极管的物理机制，所测温度中有一个“偏移”。也就是说，所测得的温度将比实际温度高出许多。在这种情况下，温度传感器需要测量比正常工作范围高得多的“视在”温度。尽管所测得的温度为150℃或更高，二极管的真实温度可能仍然在处理器的正常工作温度范围内。 远程温度监测的基本原理 为此先说明一下远程传感器基本原理。 远程传感器可测量远端的PN结(或称热二极管)温度，远端结(热二极管)可以是一个分立的晶体管(见图2左边框内所或是高功率IC的—部分，例如高速微处理器(uP)。这种方法可以直接测量IC管芯的温度，后者可能在一些非常情况下出现散热问题，如气流被阻断。远端结温传感器在很多系统中被用此种目的。它们采用两种不同电流驱动敏感结，并测量两种情况下的电压。而两种电流所产生的正向压降之差正比于敏感结的绝对温度。 利用远程感温二极管，(图2中MAX6646器件引脚DXP与DXN为远程感温二极管的“+”极与“-”极引线)测量温度的最普通的办法，是以两种不同的电流驱动二极管，一般电流比为10：1(这个二极管并不是象IN4001那样的两引线器件，而是一个连接为二极管方式的双极型晶体管。两引线二极管的理想因子与远程二极管温度传感器不兼容)，测出二极管在两种不同电流水平下的电压，然后由下式可计算出温度： 其中： IH：较高的二极管偏置电流 IL：较低的二极管偏置电流 VH:IH产生的二极管电压 VL:IL产生的二极管电压 n：二极管的理想因子 K：玻耳兹曼常数( ) T：绝对温度(ºK) q：一个电子的电量 则上式可简化为： 其中“n”称为理想因子，与工艺有关。对绝大多数晶体管，其值十分接近1.0。例如，Pentium~III微处理器的理想因子约为1.008，而Pentium IV微处理器约为1.002。远程二极管温度传感器产生有精确比率关系的两种电流，测量所产生的电压，然后对所测电压通过比例调整和电平转移得到温度数据。内部模数转换器(ADC)必须在存有相当高共模的条件下精确测量小电压；l℃的温度变化量对应于大约200µV。 宽量程的温度传感器与常规传感器类似，但内置ADC的输入电压范围稍大一些，以适应高，低两种电流所产生的更大的电压差。另外，温度数据的组织方式也不同。Maxim公司的宽量程温度传感器增加了—个更高权重的最高有效位(MSB)，以便测量128℃以上的温度，通常是将符号位替换为更高的MSB。 要生产可靠，精确、宽量程的远程二极管温度传感器，还需要具备精密的生产测试技术，以对传感器进行精细调整和验证其精度。Maxim公司具有专用的热管理测试系统能测量传感器与热二极管的温度，并对传感器的内部电路进行微调，实现高精度。 对系统设计人员而言，另一个所关心的是远端结温传感器和目标结(被测PN结)的最大可能距离。有很多的因素影响这个最大距离，因而一个简单的数字是毫无意义的。在没有电噪声的环境中，假定连线电阻小于1到2欧姆，远端结可以距离传感器相当远(达1米)，随着EMl的增加，连线长度必须减小。大多数远端结传感器具有良好的噪声抑制能力，但当连线上拾取的噪声大到足以影响正向结压的测量时，将会给测量带来误差。高速系统中谨慎的做法是将连线长度限制在数英寸以内。 能够测量150℃的远程温度传感器 Maxim公司的第一个宽量程远程温度传感器是MAX6627，于2001年推出。MAX6627不同于其它远程温度传感器的独特之处是它采用三线(时钟、串行数据翰出和片选)数字接口。它采用小巧的8引脚SOT-23封装，使其可以紧靠关键元件放置。 2003年，Maxim又推出了MAX6646／MAX6647／MAX6649，这三款宽量程远程温度传感器具有两线12CTM/SMBusTM，即I2C总线(Inter-IC Bµs)兼容接口，特别适合于台式机、笔记本和服务器等应用。这些传感器在上至145℃的测量范围内具备1℃的精度，是目前最精确的远程温度传感器。图2为用MAX6649量程远程温度传感器检测CPU或图形处理器上热二极管(PN结)的温度，60℃至145℃范围内精度要求达1℃，精度要求稍微降低一些，还可检测高达150℃的温度。MAX6646／MAX6647／MAX6649它们与工业标准器件MAX6692引脚兼容，并且寄存器也是兼容的。而在128℃以上，温度数据寄存器有一个附加的数据位可用于更高温度的测量。这些传感器还具有一些其他功能，例如指示过热和低温状态的热比较器输出，这些功能在高性能IC的监视与保护方面非常有用。 另外一个2003年推出的新型宽量程温度传感器是MAX6642，它是当前最小的、具有SMBus(SMBus是intel corporation的一个商标)接口的宽量程温度传感器。它被封装于6引脚TDFN，占位面积3mm×3mm，厚度仅0.8mxn。精度在60℃至100℃范围内保证优于±3.5℃。 结语 宽量程远程温度传感器是市场上的新面孔，目前及未来的多种系统对于它们的需求是清晰可见的。目前正致力于提供业界最精确的宽量程传感器，并将继续推出创新性的，与最新系统需求保持同步的宽量程产品。
