设计目标

设计说明

当超过某个温度时，此热敏开关解决方案将发出低电平信号（到 GPIO 引脚），从而在条件不再是最佳或器件安全时发出警报。该电路包含一个 NTC 热敏电阻和一个以同相方式配置的比较器。

设计说明

1. NTC 热敏电阻的电阻值随温度升高而下降。
2. TLV7041 具有漏极开路输出，因此需要上拉电阻器。
3. 可以实现将热敏电阻放置在分压器高侧附近的配置；不过，必须以反相方式使用比较器，以使输出开关保持低电平。
4. 最佳实践涉及放置一个正反馈电阻器来增加外部迟滞（为简单起见，在本例中没有这样做）。

设计步骤

1. 选择一个 NTC 热敏电阻（最好具有高标称电阻）R₀（环境温度 T_A 为 25°C 时的电阻值），因为 TLV7041 具有非常低的输入偏置电流。这将有助于降低功耗，从而降低由于热敏电阻中的热耗散而读取稍高温度的可能性。所选择的热敏电阻的 R₀ 及其材料常数 β 如下所示。
   ${\mathrm{R}}_0=100\mathrm{k\Omega }$
   $\mathrm{\beta }=3977\mathrm{K}$
2. 选择 R₁。对于高温开关点，R₁ 应小于热敏电阻标称电阻的十分之一。这会导致温度开关点周围的每次温度变化产生较大的电压差，这有助于保证输出在所需的温度值进行开关。
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{{\mathrm{R}}_0}{10}$
   ${\mathrm{R}}_1=\frac{100\mathrm{k\Omega }}{10}=10\mathrm{k\Omega } \text{(Standard Value)}$
3. 选择 R₂。这同样可能是一个高电阻值。
   ${\mathrm{R}}_2=1\mathrm{M\Omega } \text{(Standard Value)}$
4. 在所需的温度开关点求解热敏电阻 R_thermistor 的电阻值。使用 β 公式可以有效地求解 -20°C 至 120°C 温度范围内热敏电阻的近似值。或者，可以使用 Steinhart-Hart 方程，但热敏电阻供应商必须提供几个特定于器件的常数。请注意，温度值以开尔文为单位。在此处，T₀ = 25°C = 298.15K。
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{thermistor}}\left({\mathrm{T}}_{\mathrm{sp}}\right)={\mathrm{R}}_0\times {\mathrm{e}}^{\mathrm{\beta }\times (\frac{1}{{\mathrm{T}}_{\mathrm{sp}}}-\frac{1}{{\mathrm{T}}_0})}$
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{thermistor}}(100°\mathrm{C})=100\mathrm{k\Omega }\times {\mathrm{e}}^{3977\mathrm{K}\times (\frac{1}{373.15\mathrm{K}}-\frac{1}{298.15\mathrm{K}})}$
   ${\mathrm{R}}_{\mathrm{thermistor}}(100°\mathrm{C})=6.85 \mathrm{k\Omega }$
5. 求解 T_sp 下的 V_thermistor。
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{thermistor}}\left({\mathrm{T}}_{\mathrm{sp}}\right)={\mathrm{V}}_{\mathrm{cc}}\times \frac{{\mathrm{R}}_{\mathrm{thermistor}}\left({\mathrm{T}}_{\mathrm{sp}}\right)}{{\mathrm{R}}_1+{\mathrm{R}}_{\mathrm{thermistor}}\left({\mathrm{T}}_{\mathrm{sp}}\right)}$
   ${\mathrm{V}}_{\mathrm{thermistor}}(100°\mathrm{C})=5\mathrm{V}\times \frac{6.85\mathrm{k\Omega }}{10\mathrm{k\Omega }+6.85\mathrm{k\Omega }}=2.03\mathrm{V}$
6. 使用阈值电压 V_TH（等于 V_thermistor）来求解 R₃。这可以确保 V_thermistor 始终大于 V_TH，直到超过温度开关点。
   ${\mathrm{R}}_3=\frac{{\mathrm{R}}_2\times {\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}}{{\mathrm{V}}_{\mathrm{cc}}-{\mathrm{V}}_{\mathrm{TH}}}$
   ${\mathrm{R}}_3=\frac{1\mathrm{M\Omega }\times 2.03\mathrm{V}}{5\mathrm{V}-2.03\mathrm{V}}=685\mathrm{k\Omega }$
   ${\mathrm{R}}_3=680\mathrm{k\Omega } \text{(Standard Value)}$
7. 选择合适的上拉电阻器 R₄。在此处，V_pu = 3.3V（微控制器的数字高电平）。
   ${\mathrm{R}}_4=51\mathrm{k\Omega } \text{(Standard Value)}$

设计仿真

直流温度仿真结果

设计参考资料

德州仪器 (TI)，SLVMCS1 仿真，电路文件

设计特色比较器

设计备用比较器