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關(guān)于NTC介紹

由于負(fù)溫度系數(shù)電阻（negative temperature coefficient resistor，以下簡(jiǎn)稱NTC）本身在一個(gè)100度以上的溫度范圍內(nèi)的電阻值變化非常巨大。從室溫25°C到150°C的電阻值差了32倍以上。以NCP18XH103F0SRB為例，25°C的電阻為10k?，而在150°C的電阻為0.3085k?。根據(jù)PCB設(shè)計(jì)電路的特性，如果使用單一NTC量測(cè)大范圍的溫度，例如-40°C到+125°C，會(huì)造成溫度量測(cè)系統(tǒng)在某個(gè)溫度范圍的分辨率低。

 

此文介紹了使用一個(gè)額外的電阻并聯(lián)在NTC兩端，并透過(guò)串聯(lián)和并聯(lián)電阻的阻值調(diào)控溫度量測(cè)線路的輸出電壓在一個(gè)特定溫度范圍內(nèi)有較好的分辨率。此文說(shuō)明了在低分辨率下，線路各元件的誤差降低了溫度量測(cè)的精度。這也反映了提高分辨率的重要性。

 

文章內(nèi)容

NTC是熱敏電阻的一種。熱敏電阻(thermistor）是一種傳感器電阻，電阻值隨著溫度的變化而改變。熱敏電阻的英文「thermistor」是由Thermal（熱）及resistor（電阻）兩詞組合而成。熱敏電阻屬可變電阻的一類，廣泛應(yīng)用于各種電子元件中，例如涌流電流限制器、溫度傳感器、可復(fù)式保險(xiǎn)絲、及自動(dòng)調(diào)節(jié)的加熱器等熱敏電阻分為正溫度系數(shù)和負(fù)溫度系數(shù)兩大類，此文所提的NTC則是一種電阻值隨溫度升高而降低的熱敏電阻。NTC也常被用于低精度的溫度量測(cè)系統(tǒng)上，作為產(chǎn)品的溫度監(jiān)控和過(guò)溫保護(hù)的元件之一。

 

圖1是常見(jiàn)的應(yīng)用線路，由一個(gè)串聯(lián)電阻Rs和NTC組成的分壓PCB設(shè)計(jì)電路。透過(guò)類比轉(zhuǎn)數(shù)位轉(zhuǎn)換器（analog to digital converter以下簡(jiǎn)稱ADC）量測(cè)分壓Vo可以得知該NTC所處的溫度。

 

這PCB設(shè)計(jì)電路看似再簡(jiǎn)單不過(guò)了，但它存在著在高溫區(qū)的分辨率過(guò)低的缺點(diǎn)。NCP18XH103F0SRB（*1）是一顆誤差1%，在25°C時(shí)的電阻為10k?，操作溫度-40°C至+150°C的NTC。根據(jù)NCP18XH103F0SRB的規(guī)格書(shū)所描繪出來(lái)的電阻-溫度特性曲線顯示在圖2。

 

若圖1的Vbias定在5V，Rs定在10k?搭配NCP18XH103F0SRB，所得出的Vo對(duì)溫度的特性曲線如圖3. 從圖3可以觀察到，從70°C到125°C這段的Vo變化變得較為和緩，附帶的結(jié)果就是在同樣的ADC解析度下，ADC感測(cè)的溫度解析度降低。若進(jìn)行最壞情況PCB設(shè)計(jì)電路分析（Worst-Case Circuit Analysis， WCCA）時(shí)，更可以發(fā)現(xiàn)整個(gè)量測(cè)系統(tǒng)的總誤差在高溫的區(qū)段會(huì)有相當(dāng)大的溫度誤差。而通常過(guò)溫保護(hù)線路所關(guān)心的是在高溫的淮確度。

 

解決方法不外乎有兩點(diǎn)，第一種方法是選用高精度的零件。但這直接提高了成本。第二種方法是并聯(lián)一個(gè)電阻Rp在NTC兩側(cè)，形成圖4的PCB設(shè)計(jì)電路。
 

 

如此一來(lái)，選擇特定的Rs和Rp即可調(diào)整Vo對(duì)溫度特性曲線。若Rs為2.2k?，Rp為4.7k?，則Vo對(duì)溫度特性曲線如圖5所示。這樣的配置可以讓高溫的區(qū)段有比較大的負(fù)斜率，從而提高Vo的分辨率。
 

 

帶有Rp的溫度量測(cè)線路附帶了另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，透過(guò)調(diào)控Rp可以改變?cè)?40°C時(shí)Vo電壓。如果量測(cè)系統(tǒng)含有MCU，那么可以在韌體中加入線路的stuck-at-high的診斷功能。根據(jù)電路的設(shè)計(jì)，在-40°C的Vo為3.38V，如果系統(tǒng)有某些故障發(fā)生造成Vo出現(xiàn)5V的情形，則判斷為系統(tǒng)中的溫度量測(cè)線路出現(xiàn)故障。

 

另外，對(duì)于stuck-at-low的診斷功能，如果使用圖1的特性曲線，由于在150°C的Vo太接近0V，對(duì)于單電源的op amp會(huì)有無(wú)法輸出接近0V的電壓。若根據(jù)圖5 的特性曲線，在150°C的Vo為0.581V。對(duì)于大部分單電源的op amp來(lái)說(shuō)，即使考慮了最差情況PCB設(shè)計(jì)電路分析（WCCA），要輸出0.581V不是問(wèn)題。

 

結(jié)論

透過(guò)增加的Rp電阻，并調(diào)整Rs和Rp的阻值可以調(diào)整溫度量測(cè)線路的輸出電壓在一個(gè)特定溫度范內(nèi)有較好的分辨率，也較容易在系統(tǒng)中加入stuck-at-high，stuck-at-low 的診斷功能。