貼片NTC熱敏電阻的特點(diǎn)

溫度補(bǔ)償(temperature compensation)是指，針對特性隨溫度發(fā)生變動(dòng)的電子元件及電子電路，對其變動(dòng)情況進(jìn)行補(bǔ)償。例如，使用晶體管或晶振的電子電路的工作情況會(huì)因溫度變化而稍稍出現(xiàn)不穩(wěn)定情況。此時(shí)，通過將電阻值會(huì)隨溫度上升而下降的NTC熱敏電阻嵌入電路中，便可保持電路穩(wěn)定工作。

NTC熱敏電阻分為盤式、SMD、玻璃封裝二極管、樹脂封裝被膜線等形狀，而作為溫度保護(hù)器件嵌入到電路中的則是通過積層工藝制造的SMD形狀貼片NTC熱敏電阻。以下就溫度檢測與溫度補(bǔ)償?shù)茸鳛闇囟缺Ｗo(hù)器件使用的貼片NTC熱敏電阻應(yīng)用示例進(jìn)行介紹。
※文中及圖中的貼片NTC熱敏電阻簡稱為NTC熱敏電阻。此外，電路圖為簡化電路圖。

其基本電路是與NTC熱敏電阻以及固定電阻進(jìn)行串聯(lián)的分壓電路。CPU及功率模塊等安裝在發(fā)熱部位附近的NTC熱敏電阻的電阻值會(huì)隨溫度上升而下降，因此分壓電路的輸出電壓會(huì)發(fā)生變化。該變化輸送至微控制器后將會(huì)保護(hù)電路元件免受過熱造成的影響，或進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

圖2　溫度檢測/溫度補(bǔ)償基本電路

應(yīng)用示例：移動(dòng)設(shè)備電池充電中的溫度檢測

智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的電池組中(鋰離子電池)除了+端子與-端子之外，還有另外一個(gè)端子。那就是擁有T端子等名稱的溫度監(jiān)測用端子，其內(nèi)部搭載有NTC熱敏電阻。在電池溫度上升時(shí)，NTC熱敏電阻溫度也會(huì)隨之上升，從而電阻值會(huì)下降，當(dāng)超過上限充電溫度時(shí)，充電控制IC將會(huì)停止充電。下圖為基本電路示例。電池組內(nèi)的保護(hù)IC會(huì)測量電池電壓，從而防止過充電或過放電。
在快速充電等要求充電控制更為精準(zhǔn)的情況時(shí)，將會(huì)使NTC熱敏電阻與充電控制IC進(jìn)行連接，從而用于測量環(huán)境溫度。

圖3　移動(dòng)設(shè)備電池充電中的溫度檢測

應(yīng)用示例：微控制器的溫度檢測

由于智能手機(jī)等微控制器需要確保工作可靠性，因此需要保護(hù)其免受過熱所帶來的影響。下圖為組合了NTC熱敏電阻與固定電阻的微控制器溫度保護(hù)電路示例。NTC熱敏電阻由固定電阻R_S與分壓電路構(gòu)成。若流過過度的電路，NTC熱敏電阻溫度將會(huì)上升，電阻值將會(huì)下降，從而將抑制微控制器的驅(qū)動(dòng)電壓。使用的電路元件為小型SMD貼片式的NTC熱敏電阻以及電阻器，因此直接貼裝于電路基板或發(fā)熱部上即可起到有效的溫度保護(hù)作用。

圖4　微控制器的溫度檢測

應(yīng)用示例：LED照明系統(tǒng)的溫度檢測

LED照明系統(tǒng)擁有耗電量低、壽命長等特點(diǎn)，但根據(jù)不同的使用方法，其會(huì)出現(xiàn)壽命縮短、發(fā)光效率降低等情況。
LED器件中作為發(fā)光層的半導(dǎo)體PN接合面會(huì)發(fā)熱。該溫度稱為接合溫度。流過LED的電流變大時(shí)亮度將會(huì)提高，發(fā)熱量也會(huì)隨之增加，從而接合溫度將會(huì)變高，壽命將會(huì)縮短。此外，若接合溫度過低時(shí)，發(fā)光效率將會(huì)下降，從而亮度將會(huì)降低。為此，為了發(fā)揮LED的最大效率，需要以最佳溫度進(jìn)行工作。
通過將NTC熱敏電阻嵌入電路，并與LED進(jìn)行熱耦合后，便可作為簡易溫度保護(hù)電路進(jìn)行工作。若與最佳工作溫度存在偏差，則會(huì)以NTC熱敏電阻的電阻變化形式表現(xiàn)出來，此時(shí)將會(huì)對流過LED的電流進(jìn)行補(bǔ)償。最終將會(huì)在降低LED電力損耗的同時(shí)實(shí)現(xiàn)長壽命化。

圖5　LED照明系統(tǒng)的溫度檢測

應(yīng)用示例：HDD的溫度檢測

用于電腦存儲(chǔ)裝置等的HDD是對于溫度極為敏感的裝置，當(dāng)溫度過高時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤或故障的可能性也會(huì)提高。為此，其會(huì)通過溫度傳感器對溫度進(jìn)行檢測，當(dāng)超過規(guī)定溫度時(shí)，將會(huì)通過風(fēng)扇進(jìn)行送風(fēng)冷卻。雖然使用NTC熱敏電阻與固定電阻的溫度檢測電路精度不及溫度傳感器IC，但優(yōu)勢在于成本極低。下圖為替換溫度傳感器IC后的示例。

圖6　HDD的溫度檢測

應(yīng)用示例：HDD磁頭寫入時(shí)的溫度檢測

將數(shù)據(jù)寫入HDD時(shí)，是通過記錄磁頭產(chǎn)生的磁力，將其以磁性方式記錄在盤片(磁盤)磁性膜上。寫入過度時(shí)磁頭會(huì)發(fā)熱，從而會(huì)對磁頭器件造成不良影響。為此，需要使用下圖所示NTC熱敏電阻，通過溫度檢測電路控制流過磁頭的電流。

圖7　HDD磁頭寫入時(shí)的溫度檢測

應(yīng)用示例：熱敏打印機(jī)的溫度檢測

POS收銀臺的收據(jù)打印機(jī)、條形碼/標(biāo)簽打印機(jī)等使用有用于打印熱敏紙的熱敏打印機(jī)。熱敏打印機(jī)磁頭溫度與打印濃度呈相關(guān)關(guān)系，溫度越高，濃度則越高，溫度越低，濃度則越低。其根據(jù)檢測的熱敏磁頭溫度，通過改變輸送至熱敏磁頭脈沖電流，并控制電壓，從而使其保持一定的打印濃度。使用NTC熱敏電阻的溫度檢測電路方框圖示例如下圖所示。

圖8　熱敏打印機(jī)的溫度檢測

應(yīng)用示例：LCD(液晶顯示器)的溫度補(bǔ)償

用于智能手機(jī)、平板等設(shè)備中的LCD(液晶顯示器)液晶物質(zhì)存在溫度依賴性，其對比度會(huì)因環(huán)境溫度而產(chǎn)生變化。因此需要根據(jù)環(huán)境溫度調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓。下圖為組合了NTC熱敏電阻與固定電阻的代表性溫度補(bǔ)償電路示例。

圖9　LCD(液晶顯示器)的溫度補(bǔ)償

應(yīng)用示例：晶體振蕩器的溫度補(bǔ)償

在電腦等電子設(shè)備中，若要產(chǎn)生基準(zhǔn)頻率(時(shí)鐘基準(zhǔn)信號)，則需要使用利用晶振的晶體振蕩器。晶振溫度特性如下圖圖片曲線(紅線：無溫度補(bǔ)償)所示，呈現(xiàn)以基準(zhǔn)溫度(通常為25℃)為拐點(diǎn)的3次曲線，振動(dòng)頻率偏差(縱軸)隨溫度發(fā)生大幅變化。而通過在低溫范圍與高溫范圍分別插入與晶振溫度特性相反的補(bǔ)償電路便可縮小振動(dòng)頻率偏差(藍(lán)線：有溫度補(bǔ)償)。該補(bǔ)償電路為模擬方式，低溫范圍與高溫范圍的補(bǔ)償電路分別由NTC熱敏電阻與電容器、電阻構(gòu)成。內(nèi)置溫度補(bǔ)償電路的晶體振蕩器稱為TCXO(溫度補(bǔ)償型晶體振蕩器、Temperature Compensated Xtal Oscillator)。

圖10　晶體振蕩器的溫度補(bǔ)償

用示例：半導(dǎo)體壓力傳感器的溫度補(bǔ)償

家電設(shè)備、FA設(shè)備、車載設(shè)備等多使用通過MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)制造的壓電電阻型半導(dǎo)體壓力傳感器。該傳感器是對硅基板進(jìn)行蝕刻加工，制作中空薄型壓敏膜片，在通過壓力產(chǎn)生應(yīng)力的部分形成4個(gè)作為傳感器器件的壓電電阻部分(應(yīng)變儀)，并將其連接成為電橋狀。當(dāng)膜片因氣壓或水壓等受到應(yīng)力作用時(shí)，傳感器器件上將會(huì)出現(xiàn)電阻差，此時(shí)從電橋電路兩端將其作為電氣信號取出。
壓電電阻型半導(dǎo)體壓力傳感器擁有小型、高靈敏度等特點(diǎn)，但傳感器器件壓力靈敏度會(huì)因溫度而產(chǎn)生變化，因此需要補(bǔ)償電路。下圖為組合了NTC熱敏電阻與固定電阻的補(bǔ)償電路示例。利用熱敏電阻電阻值隨溫度發(fā)生變化的特性，通過改變施加于半導(dǎo)體壓力傳感器上的電壓實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。除此以外還設(shè)計(jì)有其他各種補(bǔ)償電路。

圖11　半導(dǎo)體壓力傳感器的溫度補(bǔ)償

應(yīng)用示例：半導(dǎo)體熱保護(hù)

半導(dǎo)體在工作過程中需要進(jìn)行保護(hù)，以過高溫度對其產(chǎn)生影響。NTC熱敏電阻配置于功率模塊內(nèi)部基板上，以便于對安裝有模塊的散熱板溫度進(jìn)行監(jiān)測(圖)。NTC熱敏電阻端子連接在控制器的比較器上。NTC熱敏電阻電阻低于設(shè)置值時(shí)，控制器會(huì)減少所有半導(dǎo)體的電力，從而降低封裝件內(nèi)的溫度。
尤其在功率模塊中使用寬帶隙半導(dǎo)體(GaN或SiC)時(shí)，其工作溫度比標(biāo)準(zhǔn)硅更高，因此有時(shí)需要變更構(gòu)件的貼裝方法。在標(biāo)準(zhǔn)硅的情況下，可適用焊錫及粘合劑。但在最近，由于需要在更高的溫度下工作，因此，在燒結(jié)過程中需要將構(gòu)件安裝至DCB上(直接鍵合銅)，或?yàn)榱诉M(jìn)行相互連接的貼裝工作而需要使用金、銀或鋁絲進(jìn)行鍵合連接。

圖12　貼裝于功率模塊內(nèi)部基板的SMD NTC熱敏電阻