En ny tilnærming til å implementere presis, og kompakt temperaturovervåking med lavt energiforbruk

Varme kan by på utfordringer for designere av nesten alle elektroniske systemer som kroppsbårne enheter (wearables), hvitevarer, medisinsk utstyr og industrielt utstyr. Ubemerket varmeoppbygging kan være spesielt plagsom. For å unngå et slikt problem finnes det flere alternativer for å detektere varme, inkludert temperaturfølende IC-er og termistorer med positiv temperaturkoeffisient (PTC). Disse har imidlertid sine begrensninger. Hvert sensoralternativ bruker flere komponenter, krever en dedikert tilkobling til vertsmikrokontrollerenheten (MCU), opptar verdifull plass på kretskortet (kortplass), tar tid å designe og har begrenset presisjon.

Når det er sagt, har designere et nytt alternativ. IC-er er utviklet for bruk med flere PTC-termistorer som gjør det mulig for en enkelt IC å utføre nøyaktig overtemperaturdeteksjon med én tilkobling til vertsmikrokontrolleren (verts-MCU-en). For å gi høye nivåer av designfleksibilitet, velger disse IC-ene utgangsstrømmer for å støtte forskjellige PTC-termistorer. De er tilgjengelige med et valg av mikrokontrollergrensesnitt (MCU-grensesnitt) og kan inkludere en låsefunksjon. De leveres i en liten SOT-553-kapsling på 1,6 x 1,6 x 0,55 mm og har et strømforbruk på 11,3 mikroampere (μA), noe som muliggjør kompakte løsninger med lavt energiforbruk.

Denne artikkelen tar for seg varmekildene i et elektronisk system og undersøker noen temperaturovervåkingsløsninger ved hjelp av PTC-termistorer kombinert med sensorkretser eller diskrete transistorer. Den sammenligner også disse løsningene med IC-er for temperaturmåling. Artikkelen introduserer og forklarer hvordan du bruker IC-er fra Toshiba som eksemplifiserer kostnadseffektiv termisk beskyttelse med lavt energiforbruk.

Varmekilder

Varmen som genereres av elektroniske komponenter påvirker brukersikkerheten og enhetens/systemets drift negativt. Store IC-er som sentrale prosesseringsenheter (CPU-er), grafiske prosesseringsenheter (GPU-er), utrustningsspesifikke IC-er (ASIC-er), feltprogrammerbare portmatriser (FPGA-er) og digitale signalprosessorer (DSP-er) kan produsere betydelige mengder varme. De trenger beskyttelse, men de er ikke de eneste enhetene som må overvåkes for overdreven varme.

Strøm som flyter gjennom en motstand forårsaker varme, og i tilfellet med store IC-er er det tusenvis eller millioner av mikrovarmekilder som kan utgjøre en stor utfordring for varmestyring. De samme IC-ene trenger ofte presis spenningsregulering rett ved siden av strømpinnene deres. Dette kan kreve flerfasepunkt for last (pol) DC-DC-omformere eller lineære regulatorer med lavt frafall (LDO). På-motstandene til effekt-MOSFET-ene i POL-er og pass-transistorene i LDO-er kan føre til at enhetene overopphetes, noe som reduserer spenningsreguleringsnøyaktigheten og kompromitterer systemytelsen.

Det er ikke bare POL-er og LDO-er som genererer varme. Varme må overvåkes og administreres på tvers av en rekke systemer, inkludert AC-DC-strømforsyninger, motordrev, avbruddsfrie kraftsystemer, solcelle-omformere, drivlinje på elektriske kjøretøyer (EV-drivlinjer), radiofrekvens (RF) forsterkere, og systemer for lysdeteksjon og rekkevidde (LiDAR-systemer). Disse systemene kan inkludere elektrolytiske kondensatorer for energilagring i bulk, elektromagnetiske transformatorer for spenningstransformasjon og isolasjon, optoisolatorer for elektrisk isolasjon og laserdioder.

Rippelstrømmer i elektrolytiske kondensatorer, virvelstrømmer i transformatorer, strømflyt i lysdioder (LED) i optoisolatorer og laserdioder i LiDAR er blant de potensielle varmekildene i disse enhetene. Temperaturovervåking kan i alle disse tilfellene bidra til å forbedre sikkerhet, ytelse og pålitelighet.

Konvensjonelle PTC-termistor tilnærminger

Overvåking av temperatur er det første kritiske trinnet i termisk beskyttelse. Det kan iverksettes utbedrende tiltak etter at en overtemperaturtilstand har blitt identifisert. PTC-termistorer brukes ofte til å overvåke temperaturer på et kretskort. Den elektriske resistiviteten til en PTC-termistor øker når temperaturen stiger. Utforminger av PTC-termistorer er optimalisert for spesifikke funksjoner som overstrøm, kortslutningsbeskyttelse og temperaturovervåking. Temperaturovervåking PTC-termistorer er laget ved hjelp av halvlederkeramikk med en høy temperaturkoeffisient. De har relativt lave motstandsverdier ved romtemperatur, men motstanden stiger raskt når de varmes opp over sin Curie-temperatur.

PTC-termistorer kan brukes individuelt for å overvåke en bestemt enhet, som en GPU, eller flere kan brukes i serie for å overvåke en bredere gruppe enheter, som MOSFET-ene i en POL. Det er flere måter å implementere temperaturovervåking ved hjelp av PTC-termistorer. To vanlige metoder er bruk av en sensor-IC eller diskrete transistorer for å overvåke motstanden til PTC-termistorene (Figut 1).

Figur 1: To vanlige temperaturovervåkingsordninger med PTC-termistorer involverer sensorgrensesnitt IC-er (venstre) og diskrete transistorløsninger (høyre). (Bildekilde: Toshiba)

I begge tilfeller er det én enkelt tilkobling til vertsmikrokontrolleren (verts-MCU-en) for en kjede med PTC-termistorer. Det er flere kompromisser mellom disse tilnærmingene:

• Komponentantall: IC-løsningen bruker tre komponenter, sammenlignet med de seks enhetene som trengs med transistortilnærmingen
• Monteringsområde: Siden den bruker færre komponenter, krever IC-løsningen mindre kretskortplass
• Presisjon: Begge tilnærminger er utsatt for endringer i forsyningsspenningen, men transistortilnærmingen er også utsatt for endringer i transistoregenskaper når temperaturen stiger. Totalt sett kan IC-tilnærmingen gi bedre presisjon
• Kostnad: Transistor-tilnærmingen bruker rimelige enheter, noe som kan gi en kostnadsfordel sammenlignet med IC-tilnærmingen

Sensor-IC-er og Thermoflagger

Flere temperaturfølende IC-er kan brukes i stedet for PTC-termistorer. Temperaturfølende IC-er måler dysetemperaturen for å estimere temperaturen på kretskortet. Jo lavere den termiske motstanden mellom kretskortet og IC-en er, jo bedre er temperaturestimatet. Når de er riktig montert på kretskortet, kan temperaturfølende IC-er gi svært nøyaktige målinger. To begrensende faktorer ved bruk av temperaturfølende IC-er er at det er nødvendig å plassere en IC på hvert punkt der temperaturen må måles, og hver IC trenger en dedikert tilkobling til vertsmikrokontrolleren (verts-MCU-en).

Thermoflagger fra Toshiba er et fjerde alternativ. Ved hjelp av Thermoflagger kan temperaturmålekretser implementeres med bare én tilleggskomponent, sammenlignet med bruk av temperaturmålekretser. I stedet for å ha flere tilkoblinger til vertens MCU, krever Thermoflagger-løsningen bare en enkelt mikrokontroller (MCU)-tilkobling, noe som gjør det mulig å bruke billige PTC-termistorer for samtidig overvåking av flere steder (figur 2).

Figur 2: Temperatursensor IC-overvåking krever vanligvis en IC ved hver potensielle varmekilde og en tilkobling til mikrokontroller (MCU) for hver sensor IC (venstre); en Thermoflagger pluss flere PTC-termistorløsninger har en enkelt MCU-tilkobling (høyre). (Bildekilde: Toshiba)

Flere grunner til å vurdere Thermoflagger innbefatter:

• Den opptar mindre kretskortplass / kretskortareal sammenlignet med andre løsninger
• Det er upåvirket av spenningsvariasjoner i strømforsyningen.
• Den kan brukes til å implementere enkel redundant temperaturovervåking

Hvordan ser en Thermoflagger-løsning ut?

Thermoflagger leverer en liten konstant strøm til de tilkoblede PTC-termistorene og overvåker deres motstand. Den kan overvåke en individuell PTC-termistor eller en kjede av PTC-termistorer. Ved en forhøyet temperatur, avhengig av den spesifikke PTC-termistoren som overvåkes, stiger motstanden til en PTC-termistor raskt og Thermoflagger detekterer økningen i motstanden. Termoflaggere med forskjellige konstante strømmer, som 1 eller 10 mikroampere (µA), har plass til en rekke PTC-termistorer. Med et strømforbruk på 11,3 μA, er Thermoflagger konstruert for å muliggjøre overvåking med lavt energiforbruk / lav effekt.

Deteksjonsutløsertemperaturen bestemmes av den spesifikke PTC-termistoren som brukes, og kan endres ved å erstatte den med en annen. Hvis det oppstår en overtemperatur, oppdager Thermoflagger-en den økte motstanden i PTC-termistoren og utløser en endring i PTCGOOD-utgangen for å varsle MCU-en (figur 3).

Figur 3: Thermoflagger-en registrerer økningen i motstanden til en oppvarmet PTC-termistor (bunn), sammenlignet med de lave motstandene assosiert med normale driftstemperaturer (topp). (Bildekilde: Toshiba)

Slik fungerer Thermoflagger

Thermoflagger er en presisjonsanalog-IC med en utgang som er optimalisert for tilkobling til en vertsmikrokontroller (verts-MCU). Følgende beskrivelse av driften refererer til tallene i figur 4 nedenfor:

1. Konstant strøm tilføres fra PTCO-terminalen og konverteres til spenning ved hjelp av motstanden til en eller flere tilkoblede PTC-termistorer. Det er den interne konstantstrømkilden som gjør en Thermoflagger-løsning ufølsom for variasjoner i forsyningsspenningen, en betydelig differensiator sammenlignet med andre temperaturovervåkingsteknikker. Hvis en PTC-termistor blir oppvarmet og har en betydelig økning i motstand, øker PTCO-spenningen til forsyningsspenningen (V_DD). PTCO-spenningen stiger også til V_DD hvis PTCO-terminalen er åpen.
2. Hvis PTCO-spenningen overskrider deteksjonsspenningen, inverterer komparatorens utgang og sender en "lav" utgang. PTCO-utgangsnøyaktigheten er ±8 %.
3. Thermoflagger IC-er er tilgjengelige med to utgangsformater: åpen drain og push-pull. Åpen drain-utganger krever en opptrekksmotstand (pull-up resistor). Ingen motstand er nødvendig for push-pull utganger.
4. Etter at komparatorutgangen er invertert, låses den (forutsatt at Termoflaggeren inkluderer den valgfrie låsefunksjonen) for å hindre at utgangen endres på grunn av et fall i temperaturen til PTC-termistoren.
5. Låsen frigjøres ved å tilføre et signal til RESET-pinnen.

Figur 4: Et blokkdiagram som viser Thermoflaggerens nøkkelfunksjoner, en analog presisjons-IC med en utgang optimalisert for tilkobling til en vertsmikrokontroller (verts-MCU). (Bildekilde: Toshiba)

Overveielser med utrustninger

Thermoflagger-løsninger kan være spesielt nyttige for overvåking av MOSFET-er eller LDO-er i strømforsyningskretser for store IC-er som systems-on-chip (SoC-er) og for motordrivkretser i industri- og forbrukersystemer. Typiske bruksområder innbefatter bærbare datamaskiner (figur 5), robotstøvsugere, hvitevarer, skrivere, batteridrevne håndverktøy, wearables og lignende enheter. Eksempler på Thermoflagger IC-er innbefatter:

1. TCTH021BE med en 10 µA PTCO-utgangsstrøm og en ikke-låsende åpen-drain-utgang
2. TCTH022BE med en 10 µA PTCO-utgangsstrøm og en låsende åpen-drain-utgang
3. TCTH021AE med en 10 µA PTCO-utgangsstrøm og en låsende push-pull-utgang

Figur 5: Vist her er en typisk Thermoflagger-implementering i en bærbar datamaskin. (Bildekilde: Toshiba)

Som alle presisjons-IC-er, har Thermoflagger spesifikke systemintegrasjonshensyn, inkludert:

• Spenningen påført PTCO-pinnen bør ikke overstige 1 V
• Thermoflaggeren bør beskyttes mot systemstøy for å sikre pålitelig drift av den interne komparatoren
• Thermoflagger-IC og PTC-termistorene bør plasseres langt nok fra hverandre for å hindre at varme overføres gjennom kretskortet til Thermoflagger-IC-en
• En frakoblingskondensator plassert mellom V_DD og GND vil bidra til å sikre stabil drift
• Alle GND-pinner må kobles til systemjord

Enkel redundans

Noen systemer kan dra nytte av redundant temperaturovervåking. Dette kan spesielt gjelde hvis en kostbar/dyr IC overvåkes eller hvis en kritisk funksjon er involvert. Enkelheten og den lille løsningsstørrelsen til Thermoflagger gjør det enkelt å integrere et ekstra lag med temperaturovervåking, noe som resulterer i et robust og pålitelig temperaturovervåkingssystem (figur 6).

Figur 6: Thermoflagger kan legge til et lag eller redundans (høyre) til en grunnleggende temperaturovervåkingsløsning basert på temperaturovervåkings-IC-er (venstre). (Bildekilde: Toshiba)

Konklusjon

For å sikre pålitelig systemytelse må konstruktører overvåke overflødig varme. Flere varmeovervåkingsalternativer er tilgjengelige, inkludert temperaturfølende IC-er og PTC-termistorer. Et nyere alternativ er Toshibas Thermoflagger, som gir mange fordeler, inkludert bruk av flere rimelige PTC-termistorer, et mindre fotavtrykk, lavere komponenttall, en enkelt tilkobling til MCU-en, immunitet mot strømforsyningssvingninger og muligheten til å implementere enkel redundant temperaturovervåking.