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關于NTC介紹

由于負溫度系數電阻（negative temperature coefficient resistor，以下簡稱NTC）本身在一個100度以上的溫度范圍內的電阻值變化非常巨大。從室溫25°C到150°C的電阻值差了32倍以上。以NCP18XH103F0SRB為例，25°C的電阻為10k?，而在150°C的電阻為0.3085k?。根據PCB設計電路的特性，如果使用單一NTC量測大范圍的溫度，例如-40°C到+125°C，會造成溫度量測系統在某個溫度范圍的分辨率低。

 

此文介紹了使用一個額外的電阻并聯在NTC兩端，并透過串聯和并聯電阻的阻值調控溫度量測線路的輸出電壓在一個特定溫度范圍內有較好的分辨率。此文說明了在低分辨率下，線路各元件的誤差降低了溫度量測的精度。這也反映了提高分辨率的重要性。

 

文章內容

NTC是熱敏電阻的一種。熱敏電阻(thermistor）是一種傳感器電阻，電阻值隨著溫度的變化而改變。熱敏電阻的英文「thermistor」是由Thermal（熱）及resistor（電阻）兩詞組合而成。熱敏電阻屬可變電阻的一類，廣泛應用于各種電子元件中，例如涌流電流限制器、溫度傳感器、可復式保險絲、及自動調節的加熱器等熱敏電阻分為正溫度系數和負溫度系數兩大類，此文所提的NTC則是一種電阻值隨溫度升高而降低的熱敏電阻。NTC也常被用于低精度的溫度量測系統上，作為產品的溫度監控和過溫保護的元件之一。

 

圖1是常見的應用線路，由一個串聯電阻Rs和NTC組成的分壓PCB設計電路。透過類比轉數位轉換器（analog to digital converter以下簡稱ADC）量測分壓Vo可以得知該NTC所處的溫度。

 

這PCB設計電路看似再簡單不過了，但它存在著在高溫區的分辨率過低的缺點。NCP18XH103F0SRB（*1）是一顆誤差1%，在25°C時的電阻為10k?，操作溫度-40°C至+150°C的NTC。根據NCP18XH103F0SRB的規格書所描繪出來的電阻-溫度特性曲線顯示在圖2。

 

若圖1的Vbias定在5V，Rs定在10k?搭配NCP18XH103F0SRB，所得出的Vo對溫度的特性曲線如圖3. 從圖3可以觀察到，從70°C到125°C這段的Vo變化變得較為和緩，附帶的結果就是在同樣的ADC解析度下，ADC感測的溫度解析度降低。若進行最壞情況PCB設計電路分析（Worst-Case Circuit Analysis， WCCA）時，更可以發現整個量測系統的總誤差在高溫的區段會有相當大的溫度誤差。而通常過溫保護線路所關心的是在高溫的淮確度。

 

解決方法不外乎有兩點，第一種方法是選用高精度的零件。但這直接提高了成本。第二種方法是并聯一個電阻Rp在NTC兩側，形成圖4的PCB設計電路。
 

 

如此一來，選擇特定的Rs和Rp即可調整Vo對溫度特性曲線。若Rs為2.2k?，Rp為4.7k?，則Vo對溫度特性曲線如圖5所示。這樣的配置可以讓高溫的區段有比較大的負斜率，從而提高Vo的分辨率。
 

 

帶有Rp的溫度量測線路附帶了另一項優點，透過調控Rp可以改變在-40°C時Vo電壓。如果量測系統含有MCU，那么可以在韌體中加入線路的stuck-at-high的診斷功能。根據電路的設計，在-40°C的Vo為3.38V，如果系統有某些故障發生造成Vo出現5V的情形，則判斷為系統中的溫度量測線路出現故障。

 

另外，對于stuck-at-low的診斷功能，如果使用圖1的特性曲線，由于在150°C的Vo太接近0V，對于單電源的op amp會有無法輸出接近0V的電壓。若根據圖5 的特性曲線，在150°C的Vo為0.581V。對于大部分單電源的op amp來說，即使考慮了最差情況PCB設計電路分析（WCCA），要輸出0.581V不是問題。

 

結論

透過增加的Rp電阻，并調整Rs和Rp的阻值可以調整溫度量測線路的輸出電壓在一個特定溫度范內有較好的分辨率，也較容易在系統中加入stuck-at-high，stuck-at-low 的診斷功能。