根据定义，电源稳压器旨在提供稳定的输出电压，尽管线路(输入电压)，负载和温度发生变化。虽然对于大多数应用来说，稳定的输出是目标，但在某些应用中，提供与温度相关的输出电压是有利的。本文提供了在温度跟踪电源中使用负温度系数(NTC)热敏电阻的教程、设计过程和电路示例。

到目前为止，温度相关调节最常见的应用是在LCD偏置电源中，其中显示的对比度将随着环境温度而变化。通过施加与温度相关的偏置电压，LCD的温度效应可以自动取消，以在很宽的温度范围内保持恒定的对比度。本文中的示例针对LCD偏置解决方案;然而，教程和设计公式很简单，可以很容易地应用于各种电路。

为什么是NTC热敏电阻?

NTC热敏电阻为温度依赖调节提供了近乎最佳的解决方案。它是低成本的，可通过各种供应商(村田，松下等)，并可用于小型表面贴装封装从0402尺寸到1206尺寸。此外，只有一个基本的了解，NTC热敏电阻是直接适用于您的电路。

NTC特性

顾名思义，热敏电阻只是一个温度相关的电阻。不幸的是，这种依赖关系是非常非线性的(参见图1)，并且它本身对于大多数应用程序来说并不是很有帮助。幸运的是，有两种简单的技术来线性化热敏电阻的行为。

图1所示。NTC热敏电阻的阻值随温度呈极非线性变化。这使得在不将热敏电阻应用于线性化网络的情况下很难利用热敏电阻。(R(25C) = 10k欧姆， β = 3965K)。

NTC热敏电阻电阻随温度变化的标准公式为:

式中R(25C)为热敏电阻在室温下的标称电阻;β(β)是热敏电阻的材料常数，单位是K, T是热敏电阻的实际温度，单位是摄氏度。

如图2所示，这个方程是实际温度特性的非常接近的近似值。注意，y轴使用对数比例尺。

图2。热敏电阻电阻对温度在半对数图上几乎是线性的。实际测量的热敏电阻电阻与Beta公式相匹配，具有相当高的精度。(R(25C) = 10k欧姆， β = 3965K)。

R(25C)和β通常在制造商的数据表中公布。R(25C)的典型值范围为22欧姆到500k欧姆。β的典型值为2500 ~ 5000K。

如图3所示，较高的β值提供了更高的温度依赖性，并且在较窄的温度范围内需要更高的分辨率时非常有用。相反，较低的β值提供较少的倾斜温度依赖性，并且在更宽的温度范围内工作时更理想。

图3。NTC热敏电阻由其室温电阻(R(25C))和其材料常数β (Beta)来指定。是温度依赖性斜率的量度。(R(25C) = 10k欧姆， β in K)。

自我加热

热敏电阻是一个电阻器，就像任何电阻器一样，当电流通过它时，它会产生热能。热能导致NTC热敏电阻的电阻降低，然后表明温度略高于环境温度。在制造商的数据表和应用说明中，通常有详细说明这种现象的表格、公式和文本。然而，如果通过热敏电阻的电流保持相对较低，使得自热误差与所需的测量精度相比很小，则这些可能在很大程度上被忽略，如本文的设计示例。

线性化

当应用于线性化电路时，NTC热敏电阻最容易使用。有两种简单的线性化技术:电阻模式和电压模式。

电阻模式

在电阻模式线性化中，将一个普通电阻与NTC热敏电阻并联，从而使组合电路的电阻线性化。如果选择电阻的值等于热敏电阻在室温下的电阻R(25C)，则相对线性电阻的区域将在室温周围对称(如图4所示)。

图4。电阻模式线性化很容易通过将一个普通电阻与热敏电阻并联来实现。如果普通电阻具有与R(25C)相同的值，那么接近线性电阻与温度的区域将在+25°C左右对称。(R(25C) = 10k欧姆， β in K)。

请注意，较低的β值在较宽的温度范围内产生线性结果，而较高的β值在较窄的温度范围内产生更高的灵敏度。等效电阻在冷(-20°C)时约为R(25C)的90%，室温(+25°C)时约为R(25C)的50%，热(25°C)时约为R(25C)的15%(+ 70°C)。

电压模式

在电压模式线性化中，NTC热敏电阻与普通电阻串联，形成分压器电路。分压器电路偏置一个稳压电源或参考电压，V(REF)。这就产生了在温度上呈线性的输出电压。如果选择电阻的值等于热敏电阻在室温下的电阻R(25C)，则线性电压区域将在室温周围对称(如图5所示)。

图5。电压模式线性化很容易完成，将一个普通电阻与热敏电阻串联，用恒压源偏置产生的电阻分压器。如果普通电阻具有与R(25C)相同的值，那么输出电压对温度的近似线性区域将在+25°C左右对称。(R(25C) = 10k欧姆， β in K)。

再次注意，较低的β值在较宽的温度范围内产生线性结果，而较高的β值在较窄的温度范围内产生更高的灵敏度。输出电压从低温(-20℃)时的近零电压到室温(+25℃)时的V(REF)/2，再到高温(+70℃)时的近V(REF)。

设计过程

为了产生随温度线性变化的可调节输出电压，将线性化热敏电阻电路应用于调节器的反馈网络。

电阻模式

电阻模式电路是最简单的解决方案，用于创建温度依赖的调节输出电压，因为调节器反馈网络几乎总是由电阻分压器组成。如图6所示，线性化热敏电阻电路与一个反馈电阻串联在一起。在这种情况下，线性化电路与反馈分压器网络的顶部电阻串联，以在V(OUT)处产生负温度系数输出电压，这是LCD偏置解决方案中通常需要的。(为了产生正温度系数输出，线性化电路将与反馈分压器的底部电阻R2串联。)

图6。将电阻模式线性化热敏电阻电路应用于稳压器反馈网络。它基本上取代了一个普通反馈电阻的一部分-这部分取决于所需的温度系数的调节器的输出。

设计过程相对简单。首先从调节器的数据表中找到合适的反馈网络偏置电流i2。它通常在10到100 μ A的范围内，并且在其确切值中有一些纬度。然后计算NTC热敏电阻值为:

式中T(C)为V(OUT)的负温度系数，单位为%/°C。应调整i2的值，直到R(25C)成为一个可靠的NTC热敏电阻值。

为简化设计计算，选择R2和R1为:

其中V(FB)为稳压器数据表中给出的标称反馈电压。

为了更精确的设计计算，i2的最终值将被稍微修改，以使热敏电阻的β与所需的T(C)相匹配。因此，计算热敏电阻在0°C和+50°C时的电阻。NTC热敏电阻电阻随温度变化的标准公式为:

然后计算两种温度下的线性化电阻为:

计算R2和i2的值为:

最后计算R1的值为:

电阻模式设计示例

在单节锂离子可充电电池上运行的系统需要LCD偏置电压。室温条件下，T(C)= -0.05%/°C时，期望偏置电压为V(OUT)= 20V。该任务选择了MAX1605稳压器。利用上述设计公式计算所需构件如下:

根据数据表，i2应大于10uA，输出误差小于1%;因此，为了减小误差，选择i2大5倍左右:

选择R(25C)= 20k欧姆和β = 3965K的NTC热敏电阻，并与并联20k欧姆电阻线性化。MAX1605的标称反馈电压为V(FB)= 1.25V。根据简化设计公式，R2和R1计算为:

根据更精确的设计计算，热敏电阻在0°C和+50°C时的电阻将为:

0°C和+50°C时的线性化电阻为:

R2、i2、R1的值计算为:

在这种情况下，这些更精确的值与使用简化计算获得的值没有本质差异。最终电路如图7所示。

图7。采用NTC热敏电阻与MAX1605升压变换器配合使用，实现了文中描述的电阻模式设计实例。

图7电路的输出电压表现出近乎理想的温度依赖性，如图8所示。

图8。图7电路的实际温度依赖性非常接近目标温度系数-0.05%/°C，在大多数扩展的消费温度范围内。

电压模式

电压型电路虽然比电阻型电路复杂，但有其独特的优点。首先，电压模式电路提供与温度相关的电压，该电压可以很容易地通过数字转换器(ADC)进行数字化，从而向系统的微处理器提供温度信息。此外，调节器的输出电压温度系数可以很容易地通过改变一个电阻器的值来调整。这种优点允许在实验室中进行简单的试错设计，并且对于在生产中容纳多源热敏电阻或LCD面板也非常有价值。

如图9所示，线性化的热敏电阻电路与参考电压偏置，以产生与温度相关的电压V(TEMP)。然后，V(TEMP)通过电阻R3求和到反馈节点，R3设置温度依赖性的增益。因此，V(TEMP)不需要缓冲，热敏电阻的标称电阻应保持远低于R3。如图9所示，稳压器在V(OUT)处显示负温度系数输出电压，这在LCD偏置解决方案中通常是需要的。(为了产生正温度系数的输出，R和Rt的位置应该颠倒。)

图9。将电压模式线性化热敏电阻电路应用于稳压器的反馈网络。它实际上是将电流i3加入反馈节点，使i1 = i2 + i3。如果V(REF)是V(FB)的两倍，则i3在25C时为零，R1和R2按稳压器数据表中通常描述的方式计算，并且可以通过简单缩放R3来调节温度依赖性。另外，V(TEMP)可以由主机系统通过数字转换器获得。

虽然不是强制性的，但图9最简单的实现是当V(REF)= 2xVfb时。(方便的是，许多稳压器的V(FB)= 1.25V，许多参考电压的V(REF)= 2.5V，许多adc的输入电压范围从0到2.5V。)当V(REF)= 2xVfb时，V(TEMP)在+25°C时等于V(FB)， i3等于零。这允许R1和R2将标称输出电压设置在+25°C，而不受R3和热敏电阻的影响。根据调节阀数据表中的建议选择R2。然后计算R1和i2为:

然后计算R3的近似值为:

式中T(C)为V(OUT)的负温度系数，单位为%/°C。(R3的这个值足以简化设计计算，以后可以通过实验室实验进行调整。)然后，为了避免在V(TEMP)和R3之间需要缓冲放大器，选择标称热敏电阻值为:

为了更精确的计算，R3的最终值将被稍微修改，以使热敏电阻的β与所需的T(C)相匹配。为此，首先计算热敏电阻在0°C和+50°C时的电阻。NTC热敏电阻电阻随温度变化的标准公式为:

然后计算两种温度下的线性化电压V(TEMP)为:

更精确的R3值最终为:

电压模式设计示例

在使用锂离子电池的系统中需要LCD偏置电压。室温条件下，T(C)= -0.05%/°C时，期望偏置电压为V(OUT)= 20V。MAX629稳压器被选择用于该任务，因为它具有可用于偏置热敏电阻线性化网络的参考电压输出。使用电压模式设计公式计算所需分量如下:

根据数据表，R2应在10k欧姆 ~ 200k欧姆范围内，V(FB)= 1.25V;因此:

R3的近似值是:

热敏电阻的标称电阻应保持小于46.9k欧姆。因此，选择R(25C)= 20k欧姆和NTC热敏电阻β= 3965K，并与串联20k欧姆电阻和V(REF)= 2.5V偏置线性化。

根据更精确的设计计算，热敏电阻在0°C和+50°C时的电阻将为:

0°C和+50°C时的线性化电压为:

R3的新值被计算为:

在这种情况下，更准确的R3值与使用简化计算得到的值没有本质差异，应选择最接近的标准电阻值。

V(REF)≠2xVfb时的设计举例

在上述电压模式设计示例中，如果系统中没有V(REF)= 2.5V电源，则增加一个电源的成本可能过高。幸运的是，任何稳压电压都足够了。对于本例，MAX629的REF引脚被利用，V(REF)' = 1.25V。与上面的例子相比，V(TEMP)现在的变化范围将超过原来的一半;因此，R3必须减半到R3' = 475k欧姆，以保持相同的输出电压温度系数T(C)= -0.05%/°C。此外，建议将热敏电阻值和线性化电阻值降低到R = R(25C)= 10k欧姆。此外，由于V(TEMP)在25°C时低于V(FB)，因此i3将不为零，并且稳压器的输出电压将略高于期望:

为了消除这种情况，将R1从375k欧姆减小为:

最后的电路如图10所示。

图10。采用NTC热敏电阻配合MAX629升压变换器，实现了文中所述的V(REF)≠2xVfb的电压模式设计实例。选择MAX629是因为它的REF引脚可以用来偏置热敏电阻线性化电路。

图10电路的输出电压表现出近乎理想的温度依赖性，如图11所示。

图11。在大多数扩展的消费温度范围内，图10中电路的实际温度依赖性非常接近-0.05%/°C的目标温度系数。

这篇文章的类似版本出现在2001年8月1日的EDN杂志上。