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电子系统过热保护新型温度传感器

发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:408

摘要:本文介绍了一种利用温敏z-元件开发的可用于电子系统过热保护的新型温度传感器,并描述了它的特性、电路以及参数设计。这种新型温度传感器具有电路简单,温度灵敏度高,成本低,静态功耗小等优点,可供从事电子系统过热保护设计与开发的广大用户参考。

关键词:z-元件;温度传感器;热保护;热管理;自热效应
中图分类号: tp212.11 文献标识码: a

一、引言

随着电子系统性能不断提高,壳体空间不断减小,因内部散热不畅,其内的功率元件和某些对温度敏感的半导体芯片,特别是cpu的温度急剧攀升,这不但影响电子产品性能的正常发挥,甚至会影响到电子系统的固有可靠性。

近年来,电子产品的性能、集成度在不断提高,工作速度也在不断加快。根据摩尔定律,微处理器cpu、数字信号处理dsp和微控制器mcu的性能每提高一倍,其功耗也将增加一倍。功耗的增加,势必引起pn结结温的升高,经验表明:pn结的结温每升高10℃,电子系统的故障率就将增加一倍。这样一来,电子系统的工作性能与工作安全性之间的矛盾将越演越烈,电子产品的热保护或热管理已成为当前硬件系统设计的热点问题。

为解决cpu过热保护问题,国内外进行了大量的研究,采取了很多的方法:从无源散热到有源散热;从低热阻材料的研究到采用冷板、热管、温差致冷,以及微型热交换器和微型空调系统等新方法都取得了很大的成效。但这些新方法由于受性能、造价和对象空间以及安装方式的制约,仅适用于某些特定场合,很难普及应用。

电子系统的热管理实际上是电子系统的安全性管理。这种管理方法借助安全系统工程理论,把印制板上的电子系统看作是一个安全管理的对象,把某些局部过热看作是一种安全隐患,采用安全系统工程技术,对其进行安全性检测、安全性报警和安全性控制。

近年来,美国许多著名公司用闭环恒温控制法解决cpu过热保护问题,推出了一系列集成温控开关[3、4],典型产品如maxim6511、6685、1669,lm19、26、88,adm1027、1030、1031等型号,它们工艺成熟并且已大批量生产。这些集成温控开关大体上可分成两类:普通型和高档多功能型。其中,普通型价位较低,千只批量售价为每只1美元左右,控温精度为±3℃;高档多功能型控温精度可达±0.5℃~±1℃,但价位较高,千只批量售价为每只2美元~3美元或更高一些。目前,国内采用ntc热敏电阻或ptc铂电阻制造cpu过热保护专用温控开关。

用恒温控制方法解决cpu的过热保护问题,对温控开关的基本要求应该是:控温精度高、生产成本低、体积小、功耗低。为实现这四点基本要求,该温控开关的设计必须从电路结构、测温元件选型、封装结构和 安装方式等方面进行综合考虑。
我们利用反偏温敏z-元件研制出一种cpu过热保护的定点、专用新型温度传感器。它具有控温精度高、生产成本低、电路简单、体积小、静态功耗低等特点,在cpu过热保护领域具有广泛的应用前景。

二、温敏z-元件反偏伏安特性

在温控系统中,测温元件作为广义控制对象的一部分,其静特性和动特性对控制系统的运行品质十分重要。为了得到满意的动态品质(如调节时间短,超调量小等)和静态偏差,所选择的测温元件必须滞后时间短、时间常数小,而且应具有较高的温度灵敏度。基于这些特殊要求和对现有测温方法的综合分析,采用反偏使用的温敏z-元件可取得满意的控温效果。

温敏z-元件(简称z-元件)是一种n区被重参掺补偿的特殊pn结,作为一种两端子敏感元件,在反偏使用时具有较高的输出灵敏度,其灵敏度超过现今任何一种敏感元件[1、2]。z-元件的电路符号如图2(a)所示,图中“+”号表示pn结的p区,正偏使用时接电源正极,反偏使用时接电源负极。图1(a)和图1

摘要:本文介绍了一种利用温敏z-元件开发的可用于电子系统过热保护的新型温度传感器,并描述了它的特性、电路以及参数设计。这种新型温度传感器具有电路简单,温度灵敏度高,成本低,静态功耗小等优点,可供从事电子系统过热保护设计与开发的广大用户参考。

关键词:z-元件;温度传感器;热保护;热管理;自热效应
中图分类号: tp212.11 文献标识码: a

一、引言

随着电子系统性能不断提高,壳体空间不断减小,因内部散热不畅,其内的功率元件和某些对温度敏感的半导体芯片,特别是cpu的温度急剧攀升,这不但影响电子产品性能的正常发挥,甚至会影响到电子系统的固有可靠性。

近年来,电子产品的性能、集成度在不断提高,工作速度也在不断加快。根据摩尔定律,微处理器cpu、数字信号处理dsp和微控制器mcu的性能每提高一倍,其功耗也将增加一倍。功耗的增加,势必引起pn结结温的升高,经验表明:pn结的结温每升高10℃,电子系统的故障率就将增加一倍。这样一来,电子系统的工作性能与工作安全性之间的矛盾将越演越烈,电子产品的热保护或热管理已成为当前硬件系统设计的热点问题。

为解决cpu过热保护问题,国内外进行了大量的研究,采取了很多的方法:从无源散热到有源散热;从低热阻材料的研究到采用冷板、热管、温差致冷,以及微型热交换器和微型空调系统等新方法都取得了很大的成效。但这些新方法由于受性能、造价和对象空间以及安装方式的制约,仅适用于某些特定场合,很难普及应用。

电子系统的热管理实际上是电子系统的安全性管理。这种管理方法借助安全系统工程理论,把印制板上的电子系统看作是一个安全管理的对象,把某些局部过热看作是一种安全隐患,采用安全系统工程技术,对其进行安全性检测、安全性报警和安全性控制。

近年来,美国许多著名公司用闭环恒温控制法解决cpu过热保护问题,推出了一系列集成温控开关[3、4],典型产品如maxim6511、6685、1669,lm19、26、88,adm1027、1030、1031等型号,它们工艺成熟并且已大批量生产。这些集成温控开关大体上可分成两类:普通型和高档多功能型。其中,普通型价位较低,千只批量售价为每只1美元左右,控温精度为±3℃;高档多功能型控温精度可达±0.5℃~±1℃,但价位较高,千只批量售价为每只2美元~3美元或更高一些。目前,国内采用ntc热敏电阻或ptc铂电阻制造cpu过热保护专用温控开关。

用恒温控制方法解决cpu的过热保护问题,对温控开关的基本要求应该是:控温精度高、生产成本低、体积小、功耗低。为实现这四点基本要求,该温控开关的设计必须从电路结构、测温元件选型、封装结构和 安装方式等方面进行综合考虑。
我们利用反偏温敏z-元件研制出一种cpu过热保护的定点、专用新型温度传感器。它具有控温精度高、生产成本低、电路简单、体积小、静态功耗低等特点,在cpu过热保护领域具有广泛的应用前景。

二、温敏z-元件反偏伏安特性

在温控系统中,测温元件作为广义控制对象的一部分,其静特性和动特性对控制系统的运行品质十分重要。为了得到满意的动态品质(如调节时间短,超调量小等)和静态偏差,所选择的测温元件必须滞后时间短、时间常数小,而且应具有较高的温度灵敏度。基于这些特殊要求和对现有测温方法的综合分析,采用反偏使用的温敏z-元件可取得满意的控温效果。

温敏z-元件(简称z-元件)是一种n区被重参掺补偿的特殊pn结,作为一种两端子敏感元件,在反偏使用时具有较高的输出灵敏度,其灵敏度超过现今任何一种敏感元件[1、2]。z-元件的电路符号如图2(a)所示,图中“+”号表示pn结的p区,正偏使用时接电源正极,反偏使用时接电源负极。图1(a)和图1

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