1.概述

最近做項目的時候突然被問到一個問題。做實驗測溫用的NTC到底怎么用？為什么不用PTC？

立創上檢索了一下，貼片的NTC很多，貼片的PTC幾乎沒有。看來，電路板上的NTC應用居多。

2.什么是NTC

NTC溫度傳感器是一種熱敏電阻、探頭，其原理為：電阻值隨著溫度上升而迅速下降。其通常由2或3種金屬氧化物組成, 混合在類似流體的粘土中，并在高溫爐內鍛燒成致密的燒結陶瓷。實際尺寸十分靈活，它們可小至0.010英寸或很小的直徑。最大尺寸幾乎沒有限制，但通常適用半英寸以下。

常見的NTC規格：

3.模塊內部NTC

我以功率模塊IGBT內部NTC為例（電機控制器領域）。

電力電子器件最重要的參數之一就是芯片的溫度。然而對溫度的直接測量需要一個裝在芯片上甚至與作為芯片一部分的傳感器。這會減小芯片通過電流能力的有效區域。
測量芯片溫度另一個可行的辦法是通過一個熱模型并以測量的基板溫度作為基礎數據開始計算結溫。在很多電力電子模塊中，熱敏電阻，也稱作NTC，被集成在內部當作一個溫度傳感器，以便方便精確測量溫度裝置的設計。

NTC安裝在硅芯片的附近，以得到一個比較緊密的熱耦合。根據模塊的不同，NTC或者與硅芯片安裝在同一塊DCB上，或者安裝在單獨的基片上：

3.1 絕緣隔離措施

在NTC所在位置之外，覆蓋著填充模塊的隔離膠。在任何經常性工作條件下，這是滿足隔離要求的。為確保絕緣隔離質量，在生產過程中要根據EN50187標準進行絕緣測試。這一標準定義了幾種不同等級的絕緣隔離標準，分為功能型和加強型的絕緣標準。加強型的絕緣標準，常常用于逆變器中，被定義為：

一個在機械和電氣方面的改進型基本絕緣，使得裝置對電沖擊的防護等級與雙重絕緣隔離相同。它可能采用一層或者多層的絕緣材料。

由于高壓和NTC之間擊穿產生導電通路引起的失效可能性是存在的，導電通路路徑如圖1所示：

這個導電通路本身可以由故障發生時連接線改變位置連接而成，或者擊穿時的電弧產生的等離子路徑形成。

出于這個原因，內部NTC的絕緣只是滿足功能性的絕緣，因此為了加強隔離，需要加入外部的額外隔離屏障。

近些年來，有一些方法證明是可行的。有：
? 把高壓作為設計控制電路的參考電位，并在人有接觸的部分和整個控制電路間加入絕緣隔離屏障層。
? 使用帶有內部隔離的運放來檢測NTC兩端的電壓。
? 使用隔離器件如磁或光耦將NTC的電壓轉化為能夠傳輸到控制電路的數字信號。

雖然在一些應用場合，功能性的NTC隔離就足夠了，但還是應該充分仔細檢查以確保滿足一些特殊設計的所有絕緣隔離要求。

3.2 NTC熱量考慮

安裝在DCB上的NTC在模塊內部的熱量流動路徑簡要示意圖，如圖2所示：

芯片產生的大部分熱量是經過散熱片直接散熱到到環境中。此外，熱量是經過DCB材料和基板導熱到NTC所在的位置。

由于熱量并不是瞬間就能流動的，NTC測量的只是模塊穩態工作時的溫度。因為相關的時間常數太小，如由短路產生的瞬時溫度現象就沒辦法監測到。

作為一個很重要的結論，NTC不能用于短路保護！

熱量情況和熱量可能傳導路徑的等效熱路圖如圖3所示：

從概論中可以得出兩個結論：

1. 由于連接芯片結到NTC的路徑Rt h JNTC上有溫度的降低，熱敏電阻的溫度TNTC會比結溫TJun ct io n來得低。
2. 由于同樣的原因，NTC的溫度會比散熱片上測量的溫度來得高。

由經驗可知，對于電力電子設備，散熱片的溫度和NTC的溫度的差值約等于10K的溫度水平。
如果有些溫度值沒辦法測量，它們需要由Rth-chain值計算得到，則必須知道Rth-chain的值。對于一個給定的模塊，IGBT和二極管的相應的RthJC 和RthCH可以從數據手冊得到。

由這些數值可以計算熱量的情況：

4.使用模擬方法測量NTC溫度

這一方法是基于把熱傳感器NTC作為分壓電路的一部分來實現的，如圖6所示：

數據手冊中用兩種不同方式給出了NTC的熱特性。根據NTC的熱特性圖的公式R = f(?)的參數就能采用解析方法近似得到NTC的熱特性圖。有用的數學表達式為：

如果對于一個較小范圍的溫度，為了更精確的計算，數據手冊還提供了B25/50 和B25/80的值。
由測量得到的電壓UR，則實際電阻R(?) 可以計算為：

4.1 分壓電阻大小

R1 應當認真選擇以得到一個合適的數值。如果選得太小，流過NTC的電流會導致功率損耗，并反過來加熱器件從而改變了測量結果。另一方面，如果R1選擇得太大，測量得的電壓太小，反過來會降低測量精度。

為了將這一電流的影響減小到最小，查看溫度是十分有助的。NTC的熱導率為145K/W。
如果允許溫度有1K的精度差，那么NTC內部的功率損耗不能超過Pmax=6.9mW。假設需要測量的值達到 100°C，NTC的阻值會達到R100=493?.

由此可知，電流最大值可以計算為：

對于U1=5V的供電電壓和3mA的電流限定值，電阻R1為：

由于沒有這樣的標稱電阻，因此可以選擇910?的阻值，使得 Imax=3.56mA；可以選擇任何使得電流I<4mA的電阻，因為1K溫度的偏差是允許的。

5.使用數字方法測量NTC溫度

除了用分壓電路的方法，NTC的阻值隨溫度的變化也可用于影響R-C電路的時間常數，基本電路圖如圖7所示：

通過電阻 R11和R12設置比較器的閾值來改變比較器的輸出。輸出信號Uout 用于觸發晶體管Q1來使電容放電。 由于電容的充電是受NTC的電阻R(?)控制的， Uout是一個頻率為fout=g(?)的脈沖。

為了從Uout得到實際的溫度值，對于周期固定的脈沖只需要計算脈沖數的數量就可以了。
由脈沖數就可以得到溫度值；脈沖數與溫度的關系圖可以用解析方法或用對照表通過在兩個最近的值中由插值方法求出。