深入剖析LM20溫度傳感器：特性、應用與設計要點

在電子設備的設計中，溫度監(jiān)測是一個關鍵環(huán)節(jié)，它對于保障設備的性能和穩(wěn)定性至關重要。今天，我們就來深入探討一款高性能的溫度傳感器——LM20。

文件下載：lm20.pdf

一、LM20概述

LM20是一款精密模擬輸出CMOS集成電路溫度傳感器，由德州儀器（TI）生產。它的工作溫度范圍為 -55°C 至 130°C，電源工作范圍為 2.4 V 至 5.5 V，具有低功耗、高精度等特點，適用于多種應用場景。

二、LM20的特性亮點

2.1 寬溫度范圍與高精度

LM20的工作溫度范圍為 -55°C 至 130°C，在不同溫度下都能保持較高的精度。在 30°C 時，精度為 ±1.5 至 ±4°C（最大值）；在 130°C 和 -55°C 時，精度為 ±2.5 至 ±5°C（最大值）。這種高精度使其能夠滿足大多數應用的需求。

2.2 低功耗設計

其靜態(tài)電流小于 10 μA，在靜止空氣中的自熱小于 0.02°C。低功耗不僅降低了系統(tǒng)的能耗，還減少了自身發(fā)熱對測量結果的影響，提高了測量的準確性。而且，由于其功耗極低，它可以直接由許多邏輯門的輸出供電，甚至無需關閉功能。

2.3 靈活的封裝形式

提供 SC70 和 DSBGA 兩種封裝形式，用戶可以根據實際應用場景選擇合適的封裝，增加了設計的靈活性。

2.4 可預測的曲率誤差

LM20的傳遞函數主要是線性的，但有輕微的可預測拋物線曲率。這種特性使得在進行溫度補償時更加方便，工程師可以根據其特性進行精確的校準。

三、LM20的應用領域

3.1 消費電子

在手機、電腦、打印機、傳真機等設備中，LM20可以實時監(jiān)測設備內部的溫度，防止設備因過熱而損壞，提高設備的可靠性和穩(wěn)定性。

3.2 電源管理

在電源模塊和電池管理系統(tǒng)中，精確的溫度監(jiān)測有助于優(yōu)化電源效率，延長電池壽命。LM20的高精度和低功耗特性使其成為這些應用的理想選擇。

3.3 工業(yè)控制

在 HVAC（供暖、通風和空調）系統(tǒng)、磁盤驅動器等工業(yè)設備中，LM20可以用于溫度控制和監(jiān)測，確保設備在合適的溫度環(huán)境下運行。

四、LM20的技術細節(jié)

4.1 引腳配置與功能

4.2 電氣特性

• 電源電壓范圍：2.4 V 至 5.5 V，適應多種電源環(huán)境。
• 輸出阻抗：最大 160 Ω，能夠穩(wěn)定驅動負載。
• 負載調整率：當 0 μA < IL < 16 μA 時，最大為 -2.5 mV，保證輸出電壓的穩(wěn)定性。

4.3 傳遞函數

LM20的傳遞函數可以用不同的方式描述，以獲得不同精度的結果。

• 簡單線性傳遞函數（在 25°C 附近精度較好）：$V_{O}=-11.69 mV /^{circ} C times T+1.8663 V$
• 拋物線傳遞函數（在 -55°C 至 130°C 全工作溫度范圍內精度最佳）：$V_{O}=left(-3.88 times 10^{-6} times T^{2}right)+left(-1.15 times 10^{-2} times Tright)+1.8639$

4.4 溫度與電壓輸出特性

根據拋物線傳遞函數，可以生成溫度與電壓輸出特性表，方便工程師在設計時進行參考。例如，在 -55°C 時，輸出電壓為 2.4847 V；在 30°C 時，輸出電壓為 1.5154 V。

五、應用設計要點

5.1 電容負載處理

LM20能夠很好地處理電容負載。在無任何預防措施的情況下，它可以驅動小于 300 pF 的任何電容負載。但在極嘈雜的環(huán)境中，可能需要添加一些濾波措施以減少噪聲干擾。建議在 V + 到 GND 之間添加 0.1 μF 的電容來旁路電源電壓。對于電容負載大于 300 pF 的情況，可以在輸出端添加一個電容和一個串聯電阻來進行補償。

5.2 光照敏感性

LM20 DSBGA 封裝暴露在強光下時，輸出讀數可能會下降 1.5 V。在正常的辦公室熒光燈環(huán)境中，輸出電壓的影響較?。ㄏ陆敌∮?1 mV）。因此，建議將 LM20 DSBGA 放置在某種外殼內，以減少其光照暴露。

5.3 電源供應建議

LM20的電源電壓范圍為 2.4 V 至 5.5 V，非常適合多種應用。在嘈雜的環(huán)境中，建議在 V + 到 GND 之間至少添加 0.1 μF 的電容來旁路電源電壓。具體的電容值可能需要根據電源噪聲情況進行調整。

5.4 布局設計

• 安裝方式：LM20可以像其他集成電路溫度傳感器一樣輕松應用，可以粘貼或膠合到表面。它所感測的溫度與引腳所連接表面的溫度相差約 0.02°C。
• 熱導率：為確保良好的熱導率，LM20 芯片的背面直接連接到引腳 2 的 GND。其他引腳的焊盤和走線溫度也會影響感測的溫度。
• 防護措施：LM20 及其配套的布線和電路必須保持絕緣和干燥，以避免泄漏和腐蝕。特別是在可能出現冷凝的低溫環(huán)境中工作時，這一點尤為重要。可以使用印刷電路板涂層和清漆，如 conformal 涂層、環(huán)氧漆或浸漬劑，來防止水分腐蝕 LM20 或其連接。

六、典型應用案例

6.1 全量程攝氏溫度傳感器

LM20 可以由單個鋰離子電池供電，作為 -55°C 至 130°C 的全量程攝氏溫度傳感器。在進行設計時，需要根據具體的應用場景選擇合適的傳遞函數來計算溫度。例如，在溫度范圍為 -30°C 至 100°C 時，可以使用線性傳遞函數 $V_{O}=-11.77 mV/^{circ} C times T + 1.8605 V$ 來計算溫度，最大偏差為 ±0.70°C。

6.2 攝氏恒溫器

使用參考電壓源（如 LM4040）和比較器（如 LM7211）可以創(chuàng)建一個簡單的恒溫器。通過計算閾值電壓，可以實現對溫度的精確控制。

七、總結

LM20 溫度傳感器以其寬溫度范圍、高精度、低功耗和靈活的封裝形式，在電子設備的溫度監(jiān)測領域具有廣泛的應用前景。在設計應用時，工程師需要充分考慮其電氣特性、電容負載處理、光照敏感性等因素，合理布局和優(yōu)化電路設計，以確保系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。希望通過本文的介紹，能夠幫助大家更好地了解和應用 LM20 溫度傳感器。大家在使用 LM20 的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享交流。