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功率技術/新能源  

在MCU中透過ADC實現電池溫度測量解決方案

上網時間: 2013年09月06日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:NTC  溫度測量  電源管理系統  ADC  MCU 

作者:Chenghao Jin與Jintae Kim,快捷半導體

可攜式電動工具、智慧型手機和平板電腦等可攜式裝置近來已廣泛應用於全球各地。這些可攜式裝置大都使用高能量密度的鋰電池作為能源。然而,在過度充電或過溫的情況下,鋰離子電池可能會變得相當不穩定,甚至引發爆炸。因此,在電池管理系統(BMS)中必須具備不同類型的熱保護,包括機械溫度計、熱電耦與熱感應電阻──負溫度係數(NTC)與正溫度係數(PTC)等。

在所有這些可能的方法中,NTC是使用最廣泛的溫度感測裝置,理由是其溫度感測精密度高、成本低。因此,有必要瞭解NTC熱感應電阻的電阻和溫度之間的關係(R-T),以精確測量溫度。本文將解釋NTC R-T的特性,以及在BMS中設計溫度保護功能應考慮的因素,同時還將透過一個示例描述如何使測得的溫度和產生的電壓訊號呈線性關係,以實現預期的溫度測量解決方案。

NTC基本原理

NTC熱感應電阻一般用於溫度感測裝置。由於負溫度係數特性,NTC的電阻隨溫度升高而減少。要估計溫度,就必須知道溫度和NTC電阻之間的關係。然而,在圖1中可以看出R-T並非線性關係。


圖1:線性 Y 軸 NTC 的特性。(TDK NTCG 系列資料圖)

一般情況下,NTC熱感應電阻的R-T特性符合Steinhart-hart方程式。該方程式由I.S. Steinhart和S.R. Hart首次提出。方程式來自數學曲線擬合技術以及NTC熱感應電阻的電阻-溫度特性檢驗。

Steinhart-hart方程式可簡寫成:


其中,A、B和C是Steinhart-hart係數,T為絕對溫度(單位K),R為NTC電阻(單位Ω)。

如果忽略三階多項式,可得出一個更簡單的算式:


其中,R1和R2分別為溫度T1和T2(單位K)時的NTC電阻(單位Ω)。

這就是所謂的β參數方程式。β參數是NTC熱感應電阻的特定材料常數,代表R-T關係的斜率。由圖2可以看出,β值越大意味著R-T曲線的斜率較大。一般使用兩個廣泛分離點的R-T數據來計算β。(通常情況下為25℃和80℃,例如:25℃時T1=298K, R1=R,且80℃時T2=353K,R2=R)


圖2:固定電阻值下電阻與溫度 (25℃)。(Murata NTC 熱敏電阻資料圖)

標準公式由β參數方程式得出,該方程式計算在一定溫度下的NTC電阻:


其中,R25為電阻(在25℃時,單位Ω),β是材料常數(單位K),T是實際溫度(單位℃)。

該方程式近似於實際溫度特性。β典型值的取值範圍為2500∼5000K。


圖3: 不同環境溫度下的 NTC 自加熱(NTC 熱敏電阻的一般技術資料,EPCOS 提供)

(下一頁繼續:設計考量)


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