尽管对电子系统更长电池寿命和更低功耗的渴求已经促使工程师们变得极富创造性,但到目前为止许多设计还是只按理想工作条件进行了优化。如果让系统连续工作数小时或在烈日下工作,系统就会变得不可靠,不是运行速度变慢就是完全停止工作。
蜂窝电话可能会丢失锁存频率,LCD屏幕的对比度可能发生显著的变化,电池的寿命也会骤减。温度敏感精度直接意味着更长的产品寿命、更可靠的产品和更好的应用精度,所有这些都有助于降低整个系统成本。另外,更好的温度管理对于“绿色电子产品”而言也是非常必要的。
温度很少被认为是一个关键的功率特性。许多设计人员认为,只要器件没有熔化,就不需要考虑温度问题。这也许是因为使用温度传感器不象用媒体处理器那样具有魅力或挑战性的缘故,但并不意味着温度对功率效率没有影响。
确定功率效率要求采用一种系统方法。例如,智能电话能够通过基于与基站距离和与其它智能手机的距离测量发射功率来节省功率。遗憾的是,由于功率放大器的转换效率低,你不可能在任何时刻直接确定实际输出,而是需要根据放大器所产生的热量来计算输出功率。
热量测量越精确,就越能有效地驱动放大器,电池寿命也就越长。精确地感应温度比优化策略更能保护设备。目前的机会是,尽管设计人员已经非常努力去优化系统功耗,但也仅仅只是降低了功耗的数量级。随着温度漂离理想的工作范围,系统的精度和效率都会下降,而且开始失去很难得到的增益。如果假定电池效率是温度的一个函数,那么当温度发生漂离时,电池寿命也会漂离期望值。
维持功率优化的关键是要积极地防止系统过热,通常开启风扇来快速冷却系统,对于无风扇的系统,则采取动态地调慢处理器时钟的方法。但是这些措施本身也有功耗,或导致效率下降,所以只在绝对必要的情况下才采取这些措施。
传统的温度策略是使用一种能反映所测温度精度的保护带。典型的温度传感器精度为2°C或3°C,相当于6°F或12°F的保护带。因此可以设定一个系统性能开始急剧下降的临界状态,例如在94°F,而设计人员要在92°F时就开始采取诸如减慢处理器时钟之类的保护措施。
当传感器读数为86°F时,温度可能会在临界点(92°F)或下降点(80°F)附近。这样在热天使用数码相机,相机处理器时钟就可能会变慢,以致使用者无法快速拍照。特别是在温度仅有80°F时,用户可能会认为相机出了故障或质量并非原想的那么好。同样在热天,当LCD列过热时,LCD屏的对比度会变差,以至难以读取屏幕上的信息。
如果知道了温度,就可以采用对比度补偿的方法进行一定级别的黑白光校正,从而改善显示器的视觉质量。精确地管理温度也有成本。工作温度为2°或3°C的热敏电阻的批量售价大约为4美分。热敏电阻驱动模数(A/D)转换器工作,输入信号进入微控制器(MCU)被转换为温度。
在理想温度范围内,热敏电阻具有相当好的线性响应,但在此范围以外,其响应曲线会很快变平,这意味需要用更昂贵的大功率A/D转换器来改善精度。电压转换到温度是个很复杂的过程,大多数工程师采用一个简易的MCU在预计算表中执行查找,这个预计算表存放在闪存中,在制造厂中就预配置了校准调节器。
这种热敏电阻可用硅热敏电阻来替代。新产品的精度高达1°C,而且采用小封装,诸如1.2 ×1.5mm的无引线方形扁平封装(QFN)。硅传感器比热敏电阻昂贵,多数情况下,售价低于1美元,大量购买时可低到35美分。
不过,新型的硅热敏电阻在整个温度范围内都是线性的,而不是只在理想范围内,因此采用8位的A/D转换器,仍然可维持1°C的精度。而且由于电压可以直接转换为温度,就不必要在制造过程中对热敏电阻进行校准,也不必在昂贵的非易失性存储器中存入查找表。
但是硅热敏电阻并不能完全代替传统的热敏电阻。设计人员必须考虑如果一个热敏电阻已经集成到其它系统元件中,是否还需要A/D转换器、MCU和闪存。
Dave Pivin(dpivin@)是Andigilog 公司的应用工程师。
作者:Dave Pivin
应用工程师
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