摘要：本文介紹了一種利用溫敏Z-元件開發(fā)的可用于電子系統(tǒng)過熱保護(hù)的新型溫度傳感器，并描述了它的特性、電路以及參數(shù)設(shè)計(jì)。這種新型溫度傳感器具有電路簡單，溫度靈敏度高，成本低，靜態(tài)功耗小等優(yōu)點(diǎn)，可供從事電子系統(tǒng)過熱保護(hù)設(shè)計(jì)與開發(fā)的廣大用戶參考。

關(guān)鍵詞：Z-元件；溫度傳感器；熱保護(hù)；熱管理；自熱效應(yīng)
中圖分類號： TP212.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：   A  

一、引言

   隨著電子系統(tǒng)性能不斷提高，殼體空間不斷減小，因內(nèi)部散熱不暢，其內(nèi)的功率元件和某些對溫度敏感的半導(dǎo)體芯片，特別是CPU的溫度急劇攀升，這不但影響電子產(chǎn)品性能的正常發(fā)揮，甚至?xí)绊懙诫娮酉到y(tǒng)的固有可靠性。

近年來，電子產(chǎn)品的性能、集成度在不斷提高，工作速度也在不斷加快。根據(jù)摩爾定律，微處理器CPU、數(shù)字信號處理DSP和微控制器MCU的性能每提高一倍，其功耗也將增加一倍。功耗的增加，勢必引起PN結(jié)結(jié)溫的升高，經(jīng)驗(yàn)表明：PN結(jié)的結(jié)溫每升高10℃，電子系統(tǒng)的故障率就將增加一倍。這樣一來，電子系統(tǒng)的工作性能與工作安全性之間的矛盾將越演越烈，電子產(chǎn)品的熱保護(hù)或熱管理已成為當(dāng)前硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的熱點(diǎn)問題。

為解決CPU過熱保護(hù)問題，國內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究，采取了很多的方法：從無源散熱到有源散熱；從低熱阻材料的研究到采用冷板、熱管、溫差致冷，以及微型熱交換器和微型空調(diào)系統(tǒng)等新方法都取得了很大的成效。但這些新方法由于受性能、造價(jià)和對象空間以及安裝方式的制約，僅適用于某些特定場合，很難普及應(yīng)用。

電子系統(tǒng)的熱管理實(shí)際上是電子系統(tǒng)的安全性管理。這種管理方法借助安全系統(tǒng)工程理論，把印制板上的電子系統(tǒng)看作是一個(gè)安全管理的對象，把某些局部過熱看作是一種安全隱患，采用安全系統(tǒng)工程技術(shù)，對其進(jìn)行安全性檢測、安全性報(bào)警和安全性控制。  

近年來，美國許多公司用閉環(huán)恒溫控制法解決CPU過熱保護(hù)問題，推出了一系列集成溫控開關(guān)[3、4]，典型產(chǎn)品如MAXIM6511、6685、1669，LM19、26、88，ADM1027、1030、1031等型號，它們工藝成熟并且已大批量生產(chǎn)。這些集成溫控開關(guān)大體上可分成兩類：普通型和多功能型。其中，普通型價(jià)位較低，千只批量售價(jià)為每只1美元左右，控溫為±3℃；多功能型控溫可達(dá)±0.5℃～±1℃，但價(jià)位較高，千只批量售價(jià)為每只2美元～3美元或更高一些。目前，國內(nèi)采用NTC熱敏電阻或PTC鉑電阻制造CPU過熱保護(hù)專用溫控開關(guān)。 

用恒溫控制方法解決CPU的過熱保護(hù)問題，對溫控開關(guān)的基本要求應(yīng)該是：控溫高、生產(chǎn)成本低、體積小、功耗低。為實(shí)現(xiàn)這四點(diǎn)基本要求，該溫控開關(guān)的設(shè)計(jì)必須從電路結(jié)構(gòu)、測溫元件選型、封裝結(jié)構(gòu)和 安裝方式等方面進(jìn)行綜合考慮。
我們利用反偏溫敏Z-元件研制出一種CPU過熱保護(hù)的定點(diǎn)、專用新型溫度傳感器。它具有控溫高、生產(chǎn)成本低、電路簡單、體積小、靜態(tài)功耗低等特點(diǎn)，在CPU過熱保護(hù)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

二、溫敏Z-元件反偏伏安特性

在溫控系統(tǒng)中，測溫元件作為廣義控制對象的一部分，其靜特性和動(dòng)特性對控制系統(tǒng)的運(yùn)行品質(zhì)十分重要。為了得到滿意的動(dòng)態(tài)品質(zhì)（如調(diào)節(jié)時(shí)間短，超調(diào)量小等）和靜態(tài)偏差，所選擇的測溫元件必須滯后時(shí)間短、時(shí)間常數(shù)小，而且應(yīng)具有較高的溫度靈敏度?；谶@些特殊要求和對現(xiàn)有測溫方法的綜合分析，采用反偏使用的溫敏Z-元件可取得滿意的控溫效果。

溫敏Z-元件（簡稱Z-元件）是一種N區(qū)被重參摻補(bǔ)償?shù)奶厥釶N結(jié)，作為一種兩端子敏感元件，在反偏使用時(shí)具有較高的輸出靈敏度，其靈敏度超過現(xiàn)今任何一種敏感元件[1、2]。Z-元件的電路符號如圖2（a）所示，圖中“+”號表示PN結(jié)的P區(qū)，正偏使用時(shí)接電源正極，反偏使用時(shí)接電源負(fù)極。圖1（a）和圖1（b）給出了Z-元件反偏伏安特性。由圖1（a）和圖1（b）可知，在常溫條件下的反向電壓V_R和反向電流I_R的關(guān)系曲線，即反偏伏安特性是一條由座標(biāo)原點(diǎn)出發(fā)的近似直線。溫度較低時(shí)，斜率很小，元件有很高的內(nèi)阻；溫度較高時(shí)，斜率很大，元件內(nèi)阻偏低。反向電流I_R和溫度T呈非線性關(guān)系，在溫度較低時(shí)（如T₁），反向電流I_R1很小，元件具有很低的靜態(tài)功耗；在溫度較高時(shí)（如T₂），反向電流I_R2急劇增加，元件具有正溫度系數(shù)和很高的溫度靈敏度S_T：

  （1）

由圖1（b）可知，溫度靈敏度與溫度控制系統(tǒng)的溫度設(shè)定點(diǎn)（即溫度設(shè)定值）有關(guān)，若溫度設(shè)定點(diǎn)較低，S_T較??；若溫度設(shè)定點(diǎn)較高，則S_T較大。

反偏溫敏Z-元件作為測溫元件時(shí)，國內(nèi)外通常采用微型儀表風(fēng)扇作為控溫系統(tǒng)的執(zhí)行元件。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，微型風(fēng)扇啟動(dòng)降溫；當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，微型風(fēng)扇停轉(zhuǎn)，達(dá)到溫度恒定的目的。微型風(fēng)扇的額定電壓一般為5V或12V，Z-元件承受的反向電壓VR也為5V或12V。

由圖1（b）可知，若溫度設(shè)定點(diǎn)為T=70℃，V_R=12V時(shí)，反向電流I_R的溫度靈敏度為：

mA/℃ （2）

常溫T=25℃時(shí)，I_R=10µA，靜態(tài)功耗P₀=I_RV_R=10µA×12V=0.12mW；

同樣，溫度設(shè)定點(diǎn)為T=70℃、V_R=5V時(shí)，反向電流I_R的溫度靈敏度為：

mA/℃   （3）

常溫T=25℃時(shí)，I_R=4µA，靜態(tài)功耗P₀=I_RV_R=4µA×5V=0.02 mW。
說明Z-元件反偏使用時(shí)，靜態(tài)功耗很低，有利于電池供電。

再從測溫元件的動(dòng)特性考慮，溫敏Z-元件本身體積很小，是直徑為1.2mm的包封球型體，由于包封材料屬特殊導(dǎo)熱絕緣樹酯，所以溫敏Z-元件傳熱快、熱慣性小、具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。實(shí)測表明，溫敏Z-元件的純滯后時(shí)間接近零，時(shí)間常數(shù)大約為1s～2s。因而，無論從靜特性還是動(dòng)特性來看，反偏溫敏Z-元件都是較理想的測溫元件，將其用于溫控系統(tǒng)會(huì)得到良好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)和較小的靜態(tài)偏差。

三、簡控溫電路及其工作原理

由溫敏Z-元件構(gòu)成的控溫簡電路如圖2（a）所示。它僅由溫敏Z-元件Z、采樣電阻R_L、N-溝道增強(qiáng)型場效應(yīng)晶體管T和微型儀表風(fēng)扇F四部分組成。其中，溫敏Z-元件處于反偏工作組態(tài)，作為控溫系統(tǒng)的，它和采樣電阻R_L構(gòu)成溫度傳感器來檢測殼內(nèi)空間或CPU的溫度。場效應(yīng)管T為驅(qū)動(dòng)部件，微型儀表風(fēng)扇F為執(zhí)行部件，用以增加氣流流通，降低殼體空間或CPU的溫度。由于國內(nèi)外用于CPU過熱保護(hù)的電路的驅(qū)動(dòng)部件和執(zhí)行部件幾乎都采取這種結(jié)構(gòu)，因而這一部分是通用的?？販叵到y(tǒng)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵是溫度傳感器部分與通用的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部分之間如何實(shí)現(xiàn)有機(jī)地配合。在溫度傳感器中，溫敏Z-元件與采樣電阻R_L相串聯(lián)，輸出電壓V₀₁為兩者的分壓。當(dāng)溫度變化時(shí)，反偏溫敏Z-元件內(nèi)阻發(fā)生變化，引起反向電流I_R成比例的變化，通過采樣電阻R_L可轉(zhuǎn)換成輸出電壓信號V₀₁。輸出電壓V₀₁一路直接引出用于檢測溫度，實(shí)現(xiàn)在線溫度指示；另一路作用于場效應(yīng)管柵極，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇F進(jìn)行溫度控制。該溫度傳感器僅有電源E、地和輸出V₀₁三個(gè)引出端子，是典型的三端式或一線（1—wire）式結(jié)構(gòu)，方便控溫系統(tǒng)的安裝，使用方便。在圖2（a）中，場效應(yīng)管T作為反相器，處于工作狀態(tài)。若采用2N7000型場效應(yīng)管，其開啟電壓V_T的標(biāo)稱值為2.0V，經(jīng)實(shí)測，其輸入電壓V₀₁（即V_G）與輸出電壓V₀（即V_D）之間的傳輸特性如圖2（b）所示。由圖2（b）可知，場效應(yīng)管的電壓傳輸特性不是理想的“開關(guān)”特性。當(dāng)V₀₁<1.5V時(shí)，V₀=V_OH≌E；當(dāng)V₀₁>2.04V時(shí)，V₀=V_DSS≌0；當(dāng)1.5V01<2.04V時(shí)，其電壓傳輸特性有一段約為0.4V的過渡區(qū)。利用場效應(yīng)管開啟電壓V_T的這種特殊特性，通過合理選擇采樣電阻R_L，可以保證所要求的溫度設(shè)定值，只要測溫元件的溫度靈敏度S_T足夠大，其即可快速跨越過渡區(qū)，妥善地實(shí)現(xiàn)閉環(huán)溫度控制。 

 溫敏Z-元件選定后，合理地選擇采樣電阻RL的阻值是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，選擇原則是：CPU處于常溫工作狀態(tài)時(shí)(一般T=25°C,可達(dá)T=35°C)，應(yīng)使V₀₁<1.5V，并使溫度設(shè)定值（一般溫度設(shè)定值較高，例如T=70°C，或其它高于常溫的設(shè)定值）相應(yīng)的V₀₁=2.04V。這樣一來，CPU處于正常工作狀態(tài)時(shí)，場效應(yīng)管T截止，V₀=V_OH≌E，風(fēng)扇F不致啟動(dòng)。若因某種原因CPU過熱而溫度攀升，由于反偏溫敏Z-元件溫度靈敏度很大，使V₀₁急劇增加。當(dāng)達(dá)到溫度設(shè)定值相應(yīng)的V₀₁=2.04V時(shí)，場效應(yīng)管T開啟導(dǎo)通，使V₀=V_OL≈0，風(fēng)扇F啟動(dòng)并滿負(fù)荷旋轉(zhuǎn)，殼內(nèi)空氣開始流通，CPU得以降溫。如此往復(fù)，經(jīng)過一定的調(diào)節(jié)周期后，可使CPU的溫度穩(wěn)定于溫度設(shè)定值，達(dá)到閉環(huán)控溫的目的。

設(shè)計(jì)實(shí)例：選用批號為018-1的溫敏Z-元件—其反偏時(shí)工作溫度可達(dá)到125℃，工作電壓為5V的儀表風(fēng)扇和2N7000型場效應(yīng)管，確定溫度設(shè)定值T為70℃，電路工作電壓E為5V。為保證當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，場效應(yīng)管T開啟導(dǎo)通并驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇啟動(dòng)，選取78.5kW的電阻為采樣電阻。當(dāng)采樣電阻確定后，還應(yīng)檢驗(yàn)其常溫運(yùn)行狀態(tài)。由圖1（b）可知，T=25℃時(shí)，I_R=4µA，輸出電壓V₀₁=4µA×78.5 kΩ =0.31V。當(dāng)環(huán)境溫度升高到值30℃時(shí)，I_R=5µA，輸出電壓V₀₁1=5µA×78.5kΩ =0.39V，均可保證場效應(yīng)管T截止，同時(shí)V₀=V_OH≈E，風(fēng)扇不致啟動(dòng)，而且保持溫度傳感器具有功耗，此采樣電阻設(shè)計(jì)值是合理的。

四、性能分析和方案論證

因?yàn)槠渥陨淼闹匾?，國?nèi)外正在大力發(fā)展CPU過熱保護(hù)技術(shù)。新方法、新工藝、新電路不斷的出現(xiàn)，介入的公司也越來越多。國外公司利用半導(dǎo)體平面工藝的技術(shù)優(yōu)勢，已研制出多種集成溫控開關(guān)推向市場，但這些產(chǎn)品大多控溫較低，價(jià)格較貴。我國現(xiàn)在已成為半導(dǎo)體器件，特別是熱敏電阻的生產(chǎn)與供應(yīng)基地，在供應(yīng)批量與生產(chǎn)成本上具有優(yōu)勢。因而在CPU過熱保護(hù)領(lǐng)域，我國應(yīng)根據(jù)國情充分發(fā)揮這一優(yōu)勢參與國際競爭。目前，國內(nèi)研發(fā)的CPU過熱保護(hù)產(chǎn)品多從NTC熱敏電阻、PTC鉑熱敏電阻出發(fā)，而我們則是走了利用反偏Z-元件溫度傳感器的道路。下面就根據(jù)CPU過熱保護(hù)的特殊性要求，從控溫、生產(chǎn)成本、空間體積、靜態(tài)功耗等四個(gè)方面對上述方法進(jìn)行分析對比。

由NTC熱敏電阻和PTC鉑電阻構(gòu)成的溫控開關(guān)分別如圖3（a）和（b）所示。

圖3（a）是采用了NTC熱敏電阻的開關(guān)。選取了B值為4400的NTC電阻，當(dāng)R₁=460KW，E=5V時(shí)，其功耗電流I₀=5.4µA，靜態(tài)功耗P₀= 0.03mW，實(shí)現(xiàn)了低功耗的目的。但其溫度靈敏度較低，經(jīng)計(jì)算，S_T僅為30mV/℃～40mV/℃。該開關(guān)的封裝形式分為塑封與球封兩種規(guī)格，間常數(shù)分別為30s和20s。NTC熱敏電阻價(jià)格適中，但靈敏度較低，控溫也受到限制，并且還需配用低功耗集成比較器，這會(huì)提高附加成本，并增大空間體積。

圖3（b）所示開關(guān)采用了PTC鉑電阻，線性好、時(shí)間常數(shù)小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快是其突出優(yōu)點(diǎn)。但其溫度靈敏度很低，如采用有阻值的Pt1000型，經(jīng)計(jì)算，其溫度靈敏度僅為3.63mV/℃。由于其阻值小，很難實(shí)現(xiàn)低功耗，再加上價(jià)格較貴，因而在電池供電的CPU過熱保護(hù)應(yīng)用中不具備市場競爭優(yōu)勢。

與NTC熱敏電阻和PTC鉑電阻相比，采用反偏Z-元件實(shí)現(xiàn)CPU過熱保護(hù)具有下述優(yōu)點(diǎn)：
  （1）溫度靈敏度高。該值經(jīng)篩選可達(dá)100mV/℃～150mV/℃，高于現(xiàn)今國內(nèi)外任何一種溫敏元件。時(shí)間常數(shù)小，現(xiàn)行球型包封時(shí)間常數(shù)約1s～2s，改進(jìn)成陶瓷厚膜封裝后，時(shí)間常數(shù)還可進(jìn)一步降低，能實(shí)現(xiàn)較高的控溫。國外普通型集成溫控開關(guān)控溫在±2℃～±3℃，采用反偏Z-元件控溫可提高到±1℃以內(nèi)，甚至更高一些。

（2）電路結(jié)構(gòu)簡。除感溫元件外，實(shí)現(xiàn)測溫僅需附加一個(gè)采樣電阻。這種三端式結(jié)構(gòu)占用空間小，易于安裝，使用方便；并且電路簡單，焊點(diǎn)少，固有可靠性高。

（3）靜態(tài)功耗低。5V供電時(shí)，常溫功耗電流為4µA，靜態(tài)功耗為0.02mW；12V供電時(shí)，功耗電流為10µA，靜態(tài)功耗為0.12mW，而且環(huán)境溫度越低，靜態(tài)功耗越小。國外集成溫控開關(guān)的產(chǎn)品其功耗電流也可降低到5µA～6µA，但售價(jià)較高，千只批量售價(jià)都在2美元/只～3美元/只以上。
（4）反偏Z-元件批量生產(chǎn)單只成本很低。附加貼片采樣電阻后，溫度傳感器總體價(jià)位也遠(yuǎn)低于NTC熱敏電阻本身，具有很強(qiáng)的價(jià)格優(yōu)勢。

因此，采用反偏Z-元件實(shí)現(xiàn)CPU的過熱保護(hù)，與國內(nèi)現(xiàn)行方法相比，具有很高的性能價(jià)格比，是較理想的實(shí)施方案。

五、結(jié)論

利用反偏溫敏Z-元件實(shí)現(xiàn)對CPU的過熱保護(hù)是Z-元件應(yīng)用領(lǐng)域的新擴(kuò)展。本文提供的技術(shù)方案與國內(nèi)外同類產(chǎn)品相比，具有許多優(yōu)點(diǎn)，商品化后必然具有較強(qiáng)的市場競爭力。希望有志于對電子系統(tǒng)進(jìn)行熱保護(hù)、熱管理的廣大用戶研究、改進(jìn)，加盟合作，共同實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。