实时温度测量可确保当今更小、更快的系统在安全热区内运行。最新的IC温度传感器以极高的精度监测外部和内部元件热点。

IC温度传感器已经成熟。在PC和汽车应用的驱动下，设计师们将这些无处不在的热嗅探器嵌入到几乎所有比寻呼机大的电子系统中。蜂窝电话通常在电池组中包含一个或多个传感器，笔记本电脑可能有四个或更多传感器，用于检查CPU、电池、AC适配器和PCMCIA卡笼中的温度。因此，IC温度传感器的设计和制造已经成为一个3亿美元/年的产业。

这些应用不包括大量的热关闭和保护电路，设计人员在各种IC中内置这些电路，作为防止短路和超频(超过IC指定的时钟速度)的最终防御。它们不能总是取代传统的温度传感器-电阻温度检测器，热敏电阻和热电偶-但IC温度传感器提供了许多优点。例如，它们不需要线性化或冷端补偿。事实上，它们经常为热电偶提供冷端补偿。它们通常通过更高电平的输出信号提供更好的抗噪性，有些还提供可以直接连接到数字系统的逻辑输出。

Rube Goldberg Contraptions

由于电子系统越来越密集、耗电和热，对IC温度传感器的讨论变得及时和重要。温度传感器也有很多小工具的吸引力。许多集成电路执行高度抽象的功能。(看!这是一个正交调制器!)但温度传感器直接与现实世界的咔哒声、嗡嗡声和嗡嗡声相关。把你的手指放在温度传感器上，它就会通过启动风扇或蜂鸣器做出反应。更复杂的传感器通常类似于带有数字接口的鲁布·戈德堡(Rube Goldberg)装置，具有自主操作能力，也许还能广播带有识别返回地址代码的警告信息，以确定发送者的位置。

在IC的早期，IC温度传感器是简单的DIP器件，测量自己的封装温度并产生成比例的输出电压信号。应用很简单:您只需将输出信号输入电压比较器或a /D转换器。今天，大量的新设备提供了遥感、气流传感和其他有趣的功能。本文按类型调查了可用的IC温度传感器，并提供了将它们与应用程序匹配并在其规格和功能之间进行权衡的指南。

每个带隙都有一个温度传感器

得尔塔V(BE)带隙基准是几乎所有IC温度传感器的核心。首先，“带隙”这个术语有点用词不当:它指的是硅的带隙电压，在室温下为1.12V。完全巧合的是，这个值几乎等于一个神奇的电压，在这个电压下，负温度系数(TC) V(BE)与正TC抵消电压相加，得到一个稳定的零TC参考。

硅pn结的正向电压为

V(是)= (G0) (1 - T / T (0)) + V (BE0) (T / T (0)) + (nKT / q) ln (T (0) / T) + (KT / q) ln (IC / IC (0)),

其中T为开尔文温度，V(G0)为外推到绝对零度的半导体带隙，V(BE0)等于温度T(0)和相应电流IC(0)下的V(BE)， K为玻尔兹曼常数，q为电子的电荷，n为与器件结构相关的常数。在两种电流密度下对这个方程进行计算，得到得尔塔V(BE)的简化表达式:

得尔塔V(BE) = (KT/q)ln(IC1/IC2)。

因此，正向电压差与温度成正比。通过两个电流水平的精确强迫，您可以从测量的得尔塔V(BE)计算温度，几乎不考虑初始正向电压，结的物理尺寸，泄漏或其他结特性。这个原理是历史上使用最广泛的集成电路单元之一，布罗考带隙参考(图1)的基础。您可以在几乎所有IC的启动电路中找到这种设计或其近亲，作为偏置电流发生器的一部分。

该技术要求迫使不同的电流密度通过构成基准中心的两个晶体管。虽然是分立元件版本，但带隙电路类似于单片集成电路版本。这两个晶体管的电流密度比精确地为16比1。当来自精密运算放大器IC(1)的反馈平衡电路时，产生的VBE电压在R(1)上留下印记。

当R(1)中的电流通过R(2)流向地时，Q(2)发射极处产生的电压TC为正2.2mV/°C。与Q(2)的V(BE)相加，该电压在V(REF)输出端产生零tc电压。IC(2)缓冲和缩放正TC电压(V(TC))，以提供10mV/°C的精确输出。因此，大多数集成电路包含一个温度计，但它往往是可疑的精度和集成电路设计者很少使其可用于外部使用。

硅pn结的过量漏电流特性限制了基于ic的传感器的温度约为200°C。根据经验，温度每升高10°C，这些电流就会翻倍。过大的泄漏电流会导致带隙参考电路和信号调理电路出现故障。

IC温度传感器的主要类别

厂商根据输入源和输出信号方式对IC温度传感器进行分类。要测量的温度源通常是IC自己的封装，但您可以使用片上加热器测量气流，使封装温度高于环境温度，并且您可以使用二极管连接的晶体管测量远程温度。在输出端，-输出、恒温-逻辑输出和串行-数字输出信号方法被广泛使用。表1提供了温度传感器的采样。

第一个集成电路温度传感器是产生与温度成正比的电压或电流的基本输出设备。它们仍然非常有用，特别是在设计纯粹的系统时，可以利用温度指示几乎无限的分辨率。

设计人员通常使用简单的逻辑输出设备来控制冷却风扇和其他恒温器应用程序。当传感器的封装温度超过预设的阈值时，传感器的逻辑输出改变状态。这些设备通常有连接，让你调整阈值温度和滞回带与外部电阻分压器。其他设备内部固定阈值和迟滞。这些简单的芯片(例如，MAX6501系列)最近以小型，低成本封装，如SOT-23。

当您将IC温度传感器集成为ASIC的一部分时，它们是最有效的。较老的镍镉电池组通常有一个板载热敏电阻——成本低于25美分——而不是一个集成电路温度传感器。较新的锂离子电池组通常将温度传感器与电池组的保护IC集成在一起，该IC还可以执行过流保护，电池平衡，燃料测量和其他任务。

更复杂的温度传感器包括串行接口，如I²C, SPI或SMBus，它提供与嵌入式微控制器和其他数字系统的通信。在类似的趋势中，越来越多的微控制器具有内置的串行接口，从而消除了对接口引脚进行“位bang”的需要。专用串行接口也在向食物链的上游迁移。例如，英特尔最新的PC芯片组有一个I/ o控制器芯片，其中包含一个形成双线SMBus接口的状态机。

串行接口数字传感器

串行数据接口最有用的应用包括CPU时钟调节和风扇控制。时钟节流(降低时钟频率)是一种完善的技术，用于提高便携式系统的电池寿命。较低的时钟频率导致较低的电容开关损耗，从而减少电源电流和延长电池寿命。设计师还使用时钟调节来控制当你过度使用高速台式电脑或笔记本电脑时产生的热量积聚。

电源管理系统监控CPU温度，并在CPU温度超过安全限制时降低时钟频率(可能还会激活风扇)。温度传感器的数字接口可以让你在温度控制回路中加入智能，这使得系统可以应用不同的风扇速度和时钟节流组合来响应特定区域的过热。当您更改系统硬件或热性能时，软件控制还允许轻松升级。

最新和最热的cpu芯片支持时钟节流与内部pn二极管温度指示。片上二极管比热敏电阻和其他以前的传感器领先数光年，因为二极管直接测量临界点(IC衬底)，而没有与封装和外部传感器散热器中的热质量相关的延迟。这种遥感技术的另一个好处是，模具附着问题或加热不良不会破坏测量。

最重要的是，温度感测二极管消除了由于传感器沿CPU到环境热阻路径的物理位置而导致的不准确性和不确定性。设计人员可以将时钟速度和标准基准性能提高到热极限，而无需使用笨重，过度设计的散热器或过于保守的最坏情况性能边界，以适应仅在撒哈拉沙漠中发现的环境温度。

新cpu中的热二极管根据2.2mV/°C的二极管温度系数提供了一个原始的芯片温度指示。A/D转换器必须处理该信号，以供电源管理系统解释。一种方法是用恒流偏置二极管，测量其正向电压，并从基本的2.2mV/°C TC计算温度。但这种方法有一个缺点:因为初始正向电压随工艺和器件特性而变化，您可能必须为CPU工艺或芯片设计的每次变化重新描述二极管，甚至单独校准二极管。得尔塔V(BE)技术是一种较好的方法。

Remote 得尔塔V(BE) CPU传感器

使用远端二极管实现得尔塔V(BE)方法需要集成a /D转换器，用于数学转换的一些逻辑，以及在两个电平之间以10比1的比率切换的精确电流源。单片集成电路MAX1617包含这些功能，并将得尔塔V(BE)信号转换为两线串行数据(图2)。MAX1617可用于CPU温度测量，因为它可感知两种温度:其自身封装的温度和远程连接点(如CPU的热二极管)的温度。当您将IC安装在关键的发热子系统(如缓存存储器或交流适配器)附近时，IC会同时测量其本地温度和远程CPU的温度。

精确，低成本的IC传感器允许设计人员进行多个远程封装和片上温度测量，以最大限度地发挥系统的性能。动态调整热引起的参数，如时钟速度，允许系统运行继续，即使在恶劣的温度环境。

这篇文章的类似版本出现在1998年7月2日的EDN上。