贴片NTC热敏电阻在5G时代的高精度温度监测应用

热敏电阻作为重要的温度敏感元件，主要分为负温度系数(NTC)和正温度系数(PTC)两大类，在电子设备中发挥着不可替代的作用。

NTC(负温度系数)热敏电阻具有随温度升高阻值明显减小的特性，这一特性使其在小家电中广泛应用于软启动、自动检测及控制电路等领域。作为温度传感器，NTC热敏电阻在温度测量、温度控制和温度补偿等方面表现出色。

相比之下，PTC(正温度系数)热敏电阻则表现出相反的特性——随着温度升高，其阻值显著增大。这种特性使PTC不仅可用于温度测量与控制，还能作为加热元件使用，同时具备"开关"功能。因此，PTC热敏电阻集灵敏元件、加热器和开关三种功能于一体，常被称为"热敏开关"。

5G时代对温度监测的新挑战

随着5G技术在各种设备中的广泛应用，5G时代带来了全新的技术挑战和机遇。5G技术区别于早期移动通信技术的关键特点包括：

●性能大幅提升：通信速度、信息处理量和连接能力的大幅度提高，满足了高清图像、视频、虚拟现实等大数据量传输需求，以及自动驾驶、远程医疗、物联网通信等实时应用场景。

●覆盖与移动性增强：在连续广域覆盖和高移动性环境下，用户体验速率可达100Mbit/s。

●系统智能化升级：表现为多用户、多点、多天线、多摄取的协同组网能力，以及网络间灵活自动调整的智能化水平。

这些技术进步使得5G设备中相关部件的负载显著增加，发热源也随之增多。更复杂的是，多个发热源之间还会相互影响传热过程。传统针对单一发热源的温控措施已无法满足5G电子设备中多个功能热点同时管理的需求。

多点温度监测与控制的必要性

在5G设备基板上，监测多个功能热点的温度并根据设备复杂功能控制发热源部件性能变得至关重要。举例来说：

当CPU加载大型应用程序时，初始阶段温度较低，可以全功率运行。但随着温度升高，CPU性能会降低，且必须控制在阈值温度以下。此时，如果向CPU供电的电源部分发热严重，且CPU受到电源部件发热的影响，CPU温度可能急剧上升。这种情况下，必须同时考虑CPU周围和电源IC周围的温度，进行更精细的器件性能控制。

此外，在基板上实施温度控制时还需注意：由于发热器件持续产生热量，可能需要最终的过热保护措施，如显示警告或切换至关闭状态等。因此，设计时需要考虑每个发热源和IC、模块的内部温度，以及它们之间的热交换和周围环境温度变化。

贴片NTC热敏电阻的优势

贴片NTC热敏电阻因其独特的优势成为解决上述问题的理想选择：

1.高兼容性与空间效率：与相同EIA尺寸标准的片式电阻、电容、电感等元件一样适合表面贴装，配置自由度极高，占用空间小。

2.简单电路实现高精度：能以简单的电路结构获得预期的测量精度，非常适合作为温度传感器放置在基板上需要测量的位置。

3.成熟的制造工艺：生产工艺成熟，新品研发周期短，可大量生产具有不同特性的产品，通过增加生产设备即可扩大产能和实现微型化，从而有效降低成本。

图1展示了典型的贴片NTC热敏电阻产品外观，其紧凑的尺寸和标准化封装使其易于集成到各种电子设备中。

温度检测电路设计与性能分析

图2展示了一个使用贴片NTC热敏电阻的典型温度检测电路。该电路将贴片NTC热敏电阻与贴片电阻串联，施加恒定电压。此时的分压与贴片NTC热敏电阻的温度关系如图3所示，在较宽的温度范围内可以获得显著的电压变化，这种电压变化可作为温度信息处理，用于温度超出阈值时的警示。

值得注意的是，图2所示电路中电压变化足够大，在AD转换器(ADC)之前无需使用放大器。这与大多数传感器不同，因为电子装置中使用的传感器信号通常非常微弱，需要额外的信号放大器。贴片NTC热敏电阻是为数不多不需要放大器的传感器之一。

这里考虑一下ADC的分辨率。如图2所示，假设施加至贴片NTC热敏电阻的电压与向微机内的ADC供给的电压相同，并且ADC的输入范围为0V~3V。如果ADC的分辨率为10位，则量化单元(LSB: Least Significant Bit) 变为大约3mV。

另外，在与图3相同的温度范围，即-20℃～+85℃下，能够得到的单位温度的电压变化(增益)。即使在增益最小的温度范围的上限和下限，也可以获得约10 mV/℃的增益。此时，1LSB相当于约0.3℃。即使安装在微型计算机中的10位ADC也可以预期约0.3℃的温度分辨率。当然，在室温附近存在30mV/℃以上的增益，因此1LSB为0.1℃以下。

这种设计使得使用配备微型计算机的标准ADC，通过简单电路即可实现高精度的温度检测。这也是贴片NTC热敏电阻广泛应用于电子设备温度检测的主要原因。

温度测量精度分析

使用普通贴片NTC热敏电阻和电阻能达到怎样的温度测量精度？参考图3，该图展示了使用电阻值公差±1%的贴片NTC热敏电阻和贴片电阻时的电压-温度特性曲线。图中绘制了电压中心值以及根据部件最大公差计算的电压上下限值。由于差异几乎不可见，因此将中心值为零时的上下限值换算为温度的图表如图5所示，进一步验证了贴片NTC热敏电阻的高精度特性。

在5G设备的多点温度监测应用中，贴片NTC热敏电阻提供了一种经济高效且可靠的解决方案。其高精度、小尺寸和简单电路要求使其成为管理多个发热源、防止热失控的理想选择。随着5G技术的持续发展和应用场景的扩展，贴片NTC热敏电阻在温度监测与控制领域的重要性将进一步提升。