En ny tilgang til implementering af præcist, strømbesparende og kompakt temperaturovervågning

Varme kan være en udfordring for designere af næsten alle elektroniske systemer, såsom kropsbåren elektronik (wearables), hårde hvidevarer, medicinsk udstyr og industrielt udstyr. Ubemærket ophobning af varme kan være særligt problematisk. For at undgå et sådant problem er der flere muligheder for at registrere varme, herunder temperaturfølsomme IC'er og termistorer med positiv temperaturkoefficient (PTC). Men de har imidlertid deres begrænsninger. Hver sensoralternativ bruger flere komponenter, kræver en dedikeret forbindelse til host-mikrocontrollerenheden (host microcontroller unit/MCU), optager værdifuld plads på printpladen, tager tid at designe og har begrænset præcision.

Når det er sagt, har designerne en ny mulighed. Der er udviklet IC'er til brug med flere PTC-termistorer, som gør det muligt for en enkelt IC at udføre præcis overtemperaturdetektering med en enkelt forbindelse til host-MCU'en. For at give høj grad af designfleksibilitet vælger disse IC'er udgangsstrømme, der understøtter forskellige PTC-termistorer. De fås med et udvalg af MCU-grænseflader og kan indeholde en låse-funktion. De kommer i en megen lille SOT-553-pakke på 1,6 x 1,6 x 0,55 millimeter (mm) og har et strømforbrug på 11,3 mikroampere (μA), hvilket muliggør kompakte og strømbesparende løsninger.

Denne artikel gennemgår varmekilderne i et elektronisk system og undersøger nogle løsninger til temperaturovervågning ved hjælp af PTC-termistorer kombineret med sensor-IC'er eller diskrete transistorer. Den sammenligner også disse løsninger med IC'er til temperaturmåling. Artiklen introducerer og forklarer, hvordan man anvender IC'er fra Toshiba, der er eksempler på omkostningseffektiv termisk beskyttelse med lavt strømforbrug.

Varmekilder

Den varme, der genereres af elektroniske komponenter, påvirker brugerens sikkerhed og enhedens/systemets funktion negativt. Store IC'er som CPU'er (Central Processing Units), GPU'er (Graphical Processing Units), ASIC'er (Anvendelsesspecifikke IC’er), FPGA'er (feltprogrammerbare gate arrays) og DSP'er (Digital signalprocessorer) kan producere betydelige mængder varme. De har brug for beskyttelse, men de er ikke de eneste enheder, der skal overvåges for ekstrem varme.

Strøm, der flyder gennem en modstand, skaber varme, og i store IC'ernes tilfælde er der tusindvis eller millioner af mikrovarmekilder, der tilsammen kan udgøre en stor udfordring for termisk styring. De samme IC'er har ofte brug for præcis spændingsregulering direkte ved siden af deres strøm-ben. Det kan kræve flerfasede DC-DC-konvertere eller lineære regulatorer med lavt udfald (low dropout/LDO) ved belastningspunkter(ne) (point of load/POL). POL’ernes effekt-MOSFET'ers modstande i tændt tilstand og pass-transistorerne i LDO'er kan få enhederne til at overophede, hvilket reducerer spændingsreguleringens nøjagtighed og kompromitterer systemets ydeevne.

Det er ikke kun POL'er og LDO'er, der genererer varme. Varme skal overvåges og styres på tværs af en række systemer, herunder AC-DC-strømforsyninger, motordrev, uafbrydelige strømsystemer, solcelleinvertere, elbilers drivlinjer, radiofrekvensforstærkere og lysdetekterings- og afstands- (Light Detection and Ranging/LiDAR) systemer. Disse systemer kan omfatte elektrolytiske kondensatorer til bulklagring af energi, elektromagnetiske transformatorer til spændingstransformation og isolation, optoisolatorer til elektrisk isolation og laserdioder.

Rippelstrømme i elektrolytiske kondensatorer, hvirvelstrømme i transformatorer, strømflow i LED'en i optoisolatorer og laserdioder i LiDAR er blandt de potentielle varmekilder i disse enheder. Temperaturovervågning kan hjælpe i alle disse tilfælde med at forbedre sikkerhed, ydeevne og pålidelighed.

Konventionelle tilgang med termistorer med positiv temperaturkoefficient (positive temperature coefficient/ PTC)

Temperaturovervågning er det kritiske første skridt i termisk beskyttelse. Når en overtemperaturtilstand er blevet identificeret, kan der træffes afhjælpende foranstaltninger. PTC-termistorer bruges ofte til at overvåge temperaturer på en printplade. En PTC-termistor oplever en stigning i den elektriske resistivitet, når temperaturen stiger. PTC-termistordesign er optimeret til specifikke funktioner som overstrøms- og kortslutningsbeskyttelse samt temperaturovervågning. PTC-termistorer til temperaturovervågning er fremstillet af halvlederkeramik med en høj temperaturkoefficient. De har relativt lave modstandsværdier ved stuetemperatur, men deres modstand stiger hurtigt, når de opvarmes over deres Curie-temperatur.

PTC-termistorer kan bruges enkeltvis til at overvåge en bestemt enhed, f.eks. en GPU, eller flere kan bruges i serie til at overvåge en større gruppe enheder, f.eks. MOSFET'erne i en POL. Der er flere måder at implementere temperaturovervågning ved hjælp af PTC-termistorer. To almindelige metoder er brugen af en sensor-IC eller diskrete transistorer til at overvåge PTC-termistorernes modstand (figur 1).

Figur 1: To almindelige temperaturovervågningssystemer med PTC-termistorer involverer sensorgrænseflade-IC'er (til venstre) og diskrete transistorløsninger (til højre). (Billedkilde: Toshiba)

I begge tilfælde er der en enkelt forbindelse til host-MCU'en til en kæde af PTC-termistorer. Der er flere kompromiser mellem disse tilgange:

• Antal komponenter: IC-løsningen bruger tre komponenter, sammenlignet med de seks enheder, der er nødvendige med transistormetoden
• Monteringsområde: Da den bruger færre komponenter, kræver IC-løsningen mindre plads på printpladen.
• Præcision: Begge metoder er følsomme over for ændringer i forsyningsspændingen, men transistormetoden er også følsom over for ændringer i transistorens egenskaber, når temperaturen stiger. Samlet set kan IC-metoden give bedre præcision
• Omkostninger: Transistormetoden bruger billige enheder, hvilket kan give en omkostningsfordel sammenlignet med IC-metoden.

Sensor-IC'er og termoflagger

Flere temperatursensor-IC'er kan bruges i stedet for PTC-termistorer. Temperatursensor-IC'er måler deres chip-temperatur for at estimere temperaturen på printpladen. Jo lavere den termiske modstand mellem printpladen og IC'en er, jo bedre er temperaturestimatet. Når de er monteret korrekt på printplade, kan temperatursensor-IC'er give meget nøjagtige målinger. To begrænsende faktorer ved at bruge temperatursensor-IC'er er, at det er nødvendigt at placere en IC på hvert punkt, hvor temperaturen skal måles, og hver IC har brug for en dedikeret forbindelse til host-MCU'en.

Termoflagger fra Toshiba giver en fjerde mulighed. Ved hjælp af en termoflagger kan temperaturmålekredsløb implementeres med kun én ekstra komponent sammenlignet med brugen af temperaturmåler-IC'er. I stedet for at have flere forbindelser til host-MCU'en kræver termoflagger-løsningen kun en enkelt MCU-forbindelse, hvilket gør det muligt at bruge billige PTC-termistorer til samtidig overvågning af flere steder (figur 2).

Figur 2: Overvågning af temperatursensor-IC'er kræver typisk en IC ved hver potentiel varmekilde og en forbindelse til MCU'en for hver sensor-IC (til venstre); en termoflagger plus flere PTC-termistorer har en enkelt MCU-forbindelse (til højre). (Billedkilde: Toshiba)

Der er flere grunde til at overveje termoflagger, herunder:

• Den optager mindre plads på printpladen sammenlignet med andre løsninger
• Den er upåvirket af variationer i strømforsyningsspændingen.
• Den kan bruges til at implementere simpel redundant temperaturovervågning.

Hvordan ser en termoflagger-løsning ud?

En termoflagger leverer en lille konstant strøm til de tilsluttede PTC-termistorer og overvåger deres modstand. Den kan overvåge en individuel PTC-termistor eller en kæde af PTC-termistorer. Ved en forhøjet temperatur, afhængigt af den specifikke PTC-termistor, der overvåges, stiger modstanden i en PTC-termistor hurtigt, og termoflaggeren registrerer stigningen i modstand. Termoflaggere med forskellige konstante strømme som 1 eller 10 mikroampere (µA), passer til en række forskellige PTC-termistorer. Med et strømforbrug på 11,3 μA er termoflaggeren designet til at muliggøre overvågning med lavt strømforbrug.

Temperaturen for detektionsudløsning bestemmes af den specifikke PTC-termistor, der bruges, og kan ændres ved at udskifte den med en anden. Hvis der opstår en overtemperatur, registrerer termoflaggeren den øgede modstand i PTC-termistoren og udløser en ændring i PTCGOOD-udgangen for at advare MCU'en (figur 3).

Figur 3: Termoflaggeren registrerer modstandsstigningen i en opvarmet PTC-termistor (nederst), sammenlignet med de lave modstande, der er forbundet med normale driftstemperaturer (øverst). (Billedkilde: Toshiba)

Sådan fungerer en termoflagger

Termoflaggeren er en analog præcisions-IC med en udgang, der er optimeret til tilslutning til en host-MCU. Den følgende beskrivelse af dens funktion henviser til tallene i figur 4 nedenfor:

1. Konstant strøm leveres fra PTCO-terminalen og omdannes til spænding ved hjælp af modstanden i en eller flere tilsluttede PTC-termistorer. Det er den interne konstante strømkilde, der gør en termoflagger-løsning ufølsom over for variationer i forsyningsspændingen, hvilket er en væsentlig forskel i forhold til andre temperaturovervågningsteknikker. Hvis en PTC-termistor bliver opvarmet og har en betydelig stigning i modstand, stiger PTCO-spændingen til forsyningsspændingen (V_DD). PTCO-spændingen stiger også til V_DD, hvis PTCO-terminalen er åbent.
2. Hvis PTCO-spændingen overstiger detektionsspændingen, inverterer komparatorens udgang og sender en 'lav'-udgang. PTCO-udgangens nøjagtighed er ±8 %.
3. Termoflagger-IC'er fås med to udgangsformater: åben-drain og push-pull. Åben-drain-udgange kræver en pull-up-modstand. Ingen modstand er nødvendig for push-pull-udgange.
4. Når komparatorudgangen er inverteret, låses den (forudsat at termoflaggeren har den valgfri låsefunktion) for at forhindre, at udgangen ændres på grund af et temperaturfald i PTC-termistoren.
5. Låsen frigøres ved at sende et signal til RESET-ben.

Figur 4: Et blokdiagram, der viser nøglefunktionerne i en termoflagger, en analog præcisions-IC med en udgang, der er optimeret til tilslutning til en host-MCU. (Billedkilde: Toshiba)

Overvejelser om anvendelse

Termoflagger-løsninger kan være særligt nyttige til overvågning af MOSFET'er eller LDO'er i strømforsyningskredsløb til store IC'er som systemer på chip (systems-on-chip/SoC'er) og til motordrev-kredsløb i industri- og forbrugersystemer. Typiske anvendelser omfatter bl.a. bærbare computere (figur 5), robotstøvsugere, hårde hvidevarer, printere, batteridrevet håndværktøj, kropsbåren elektronik (wearables) og lignende enheder. Eksempler på termoflagger-IC'er omfatter:

1. TCTH021BE med en PTCO-udgangsstrøm på 10 µA og en åben-drain-udgang, der ikke låser
2. TCTH022BE med en PTCO-udgangsstrøm på 10 µA og en åben-drain-udgang, der låser
3. TCTH021AE med en PTCO-udgangsstrøm på 10 µA og push-pull-udgang, der låser

Figur 5: Her ses en typisk termoflagger-implementering i en bærbar computer. (Billedkilde: Toshiba)

Som alle præcisions-IC'er har termoflagger specifikke systemintegrationsovervejelser, herunder:

• Spændingen på PTCO-benet må ikke overstige 1 V
• Termoflaggere skal beskyttes mod systemstøj for at sikre den pålidelige funktion af den interne komparator
• Termoflagger IC og PTC-termistorerne skal placeres langt nok fra hinanden til at forhindre varme i at blive overført gennem printpladen til termoflagger-IC’en
• En afkoblingskondensator placeret mellem V_DD og GND vil hjælpe med at sikre stabil drift
• Alle GND-ben skal være forbundet til systemjord

Enkel redundans

Nogle systemer kan drage fordel af redundant temperaturovervågning. Det kan især være tilfældet, hvis en dyr IC overvåges, eller hvis en kritisk funktion er involveret. Termoflaggerens enkelhed og lille løsningsstørrelse gør det nemt at integrere et ekstra lag af temperaturovervågning, hvilket resulterer i et robust og pålideligt temperaturovervågningssystem (figur 6).

Figur 6: Termoflagger kan tilføje et lag eller redundans (højre) til en grundlæggende temperaturovervågningsløsning baseret på temperaturovervågnings-IC'er (venstre). (Billedkilde: Toshiba)

Konklusion

For at sikre pålidelig systemydelse skal designere overvåge overskydende varme. Der er flere muligheder for varmeovervågning, herunder temperatursensor-IC'er og PTC-termistorer. En nyere mulighed er Toshibas termoflagger, som giver mange fordele, herunder brugen af flere billige PTC-termistorer, et mindre fodaftryk, færre komponenter, en enkelt forbindelse til MCU'en, immunitet over for udsving i strømforsyningen og muligheden for at implementere simpel redundant temperaturovervågning.