Nová koncepce implementace přesného, nízkoenergetického a kompaktního monitorování teploty

Teplo může představovat problém pro konstruktéry téměř libovolného elektronického systému, například nositelné elektroniky, bílého zboží nebo lékařského či průmyslového vybavení. Nepozorované hromadění tepla může být obzvláště problematické. Chceme-li se tomuto problému vyhnout, existuje několik možností detekce tepla, včetně integrovaných obvodů snímajících teplotu a termistorů s kladným teplotním koeficientem (PTC). Ty však mají svá omezení. Každá možnost snímání využívá více komponent, vyžaduje vyhrazené připojení k hostitelské mikrokontrolérové jednotce (MCU), zabírá cenné místo na desce, vyžaduje čas na návrh a má omezenou přesnost.

Nicméně konstruktéři mají novou možnost. Integrované obvody byly vyvinuty pro použití s více PTC termistory, které umožňují jedinému integrovanému obvodu provádět přesnou detekci přehřátí s jedním připojením k hostitelské jednotce MCU. Pro zajištění vysoké úrovně flexibility návrhu jsou výstupní proudy těchto integrovaných obvodů zvoleny tak, aby podporovaly různé PTC termistory. Jsou k dispozici s výběrem rozhraní MCU a mohou obsahovat funkci blokování. Dodávají se v malém pouzdru 1,6 x 1,6 x 0,55 mm SOT-553 a odebírají proud 11,3 μA, což dovoluje kompaktní řešení s nízkou spotřebou.

Tento článek shrnuje zdroje tepla v elektronickém systému a zkoumá některá řešení monitorování teploty pomocí termistorů PTC kombinovaných se snímacími integrovanými obvody nebo diskrétními tranzistory. Tato řešení také porovnává s integrovanými obvody na měření teploty. Článek představuje a vysvětluje způsob aplikace integrovaných obvodů od společnosti Toshiba, které jsou příkladem nízkoenergetické a nákladově efektivní tepelné ochrany.

Zdroje tepla

Teplo generované elektronickými součástkami negativně ovlivňuje bezpečnost uživatele a provoz zařízení/systému. Velké integrované obvody, jako jsou centrální procesorové jednotky (CPU), grafické procesorové jednotky (GPU), aplikačně specifické integrované obvody (ASIC), programovatelná hradlová pole (FPGA) a digitální signálové procesory (DSP) mohou produkovat značné množství tepla. Potřebují ochranu, ale nejedná se o jediná zařízení, která musejí být sledována kvůli nadměrnému přehřívání.

Proud protékající odporem vyvolává teplo a v případě velkých integrovaných obvodů existují tisíce nebo milióny mikrozdrojů tepla, které mohou představovat velký problém v oblasti regulace tepla. Stejné integrované obvody často potřebují přesnou regulaci napětí přímo u napájecích pinů. Takové řešení může vyžadovat vícefázové DC-DC převodníky v místě zátěže (POL) nebo lineární regulátory s nízkým úbytkem napětí (LDO). Odpory v sepnutém stavu výkonových tranzistorů MOSFET v místě zátěže (POL) a průchodových tranzistorů v regulátorech LDO mohou vyvolávat přehřátí zařízení, což vede ke snížení přesnosti regulace napětí a narušení výkonu systému.

Teplo nevytvářejí jen POL a LDO. Teplo musí být monitorováno a řízeno v celé řadě systémů, včetně AC/DC napájecích zdrojů, motorových pohonů, systémů nepřerušitelného napájení, solárních invertorů, pohonných jednotek elektrických vozidel (EV), vysokofrekvenčních (RF) zesilovačů a systémů LiDAR. Tyto systémy mohou zahrnovat elektrolytické kondenzátory na skladování energie, elektromagnetické transformátory pro transformaci a izolaci napětí, optoizolátory na elektrickou izolaci a laserové diody.

Zvlnění proudů v elektrolytických kondenzátorech, vířivé proudy v transformátorech, proud protékající LED diodami optoizolátorů a laserové diody v systémech LiDAR patří v těchto zařízeních mezi potenciální zdroje tepla. Monitorování teploty může ve všech těchto případech pomoci zlepšit bezpečnost, výkon a spolehlivost.

Konvenční koncepce s PTC termistory

Monitorování teploty je kritickým prvním krokem tepelné ochrany. Jakmile je zjištěn stav přehřátí, lze provést nápravná opatření. PTC termistory se často používají k monitorování teplot na desce plošných spojů. U PTC termistoru se zvyšuje elektrický odpor při stoupající teplotě. Návrhy termistorů PTC jsou optimalizovány na specifické funkce, jako je ochrana proti nadproudu, zkratu a monitorování teploty. PTC termistory na sledování teploty jsou vyrobeny z polovodičové keramiky s vysokým teplotním koeficientem. Tyto termistory mají relativně nízké hodnoty odporu při pokojové teplotě, při zahřátí nad Curieovu teplot však jejich odpor rychle stoupá.

PTC termistory lze používat jednotlivě k monitorování konkrétní součásti, například jednotky GPU, nebo několik termistorů zapojených do série k monitorování širší skupiny zařízení, jako jsou tranzistory MOSFET v místě zátěže (POL). Existuje několik způsobů implementace monitorování teploty pomocí PTC termistorů. Dvě běžné metody představují použití snímacího IO nebo diskrétních tranzistorů k monitorování odporu PTC termistorů (obrázek 1).

Obrázek 1: dvě běžná schémata monitorování teploty pomocí PTC termistorů zahrnují řešení rozhraní se snímacími integrovanými obvody (vlevo) a s diskrétním tranzistorem (vpravo). (Zdroj obrázku: Toshiba)

V obou případech řetězec PTC termistorů spojen s jednotkou MCU pomocí jediného připojení. Mezi těmito koncepcemi existuje několik kompromisů:

• Počet součástí: řešení s integrovaným obvodem používá tři součásti, zatímco koncepce s tranzistorem používá šest součástí.
• Montážní plocha: vzhledem k tomu, že řešení s IO používá méně součástek, vyžaduje také menší plochu desky plošných spojů.
• Přesnost: obě koncepce jsou náchylné na změny napájecího napětí, koncepce s tranzistorem je však citlivá také na změny charakteristik tranzistorů s nárůstem teploty. Celkově platí, že lepší přesnost může poskytnout řešení s IO.
• Náklady: koncepce s tranzistory využívá levné součástky, které mohou poskytnout cenovou výhodu v porovnání s IO řešením.

Snímací integrované obvody a obvod Thermoflagger

Namísto PTC termistorů lze použít několik integrovaných obvodů se snímáním teploty. Integrované obvody se snímáním teploty odhadují teplotu desky plošných spojů měřením teploty své matrice. Čím nižší je tepelný odpor mezi deskou plošných spojů a integrovaným obvodem, tím lepší je odhad teploty. Při správné montáži na desku plošných spojů mohou integrované obvody se snímáním teploty poskytovat vysoce přesná měření. Použití integrovaných obvodů se snímáním teploty má dva omezující faktory: integrovaný obvod musí být umístěn do každého bodu, kde je třeba měřit teplotu, a každý integrovaný obvod potřebuje vyhrazené připojení k hostitelské jednotce MCU.

Čtvrtou možnost nabízí obvod Thermoflagger od společnosti Toshiba. Obvod Thermoflagger umožňuje implementovat obvody měření teploty pouze s jedinou přídavnou součástí ve srovnání s použitím snímacích integrovaných obvodů. U řešení s obvody Thermoflagger je namísto více připojení k hostitelské jednotce MCU vyžadováno pouze jediné připojení, čímž lze současné monitorování více míst provádět pomocí levných termistorů PTC (obrázek 2).

Obrázek 2: monitorování teploty pomocí snímacího integrovaného obvodu typicky vyžaduje integrovaný obvod u každého potenciálního zdroje tepla a připojení k jednotce MCU pro každý snímací IO (vlevo); řešení s obvodem Thermoflagger a několika PTC termistory používá pouze jedno připojení k jednotce MCU (vpravo). (Zdroj obrázku: Toshiba)

Další důvody, proč zvážit použití obvodu Thermoflagger:

• Ve srovnání s jinými řešeními zabírá méně místa na desce plošných spojů.
• Obvod není ovlivněn kolísáním napájecího napětí.
• Obvod lze použít k implementaci jednoduchého redundantního monitorování teploty.

Jak vypadá řešení s obvodem Thermoflagger?

Obvod Thermoflagger dodává malý konstantní proud do připojených PTC termistorů a sleduje jejich odpor. Může monitorovat jeden PTC termistor nebo řetězec PTC termistorů. V závislosti na konkrétním sledovaném PTC termistoru jeho odpor při zvýšené teplotě rychle stoupá a obvod Thermoflagger tak detekuje nárůst odporu. Obvody Termoflagger s různými konstantními proudy, například 1 µA nebo 10 µA, se přizpůsobují široké škále PTC termistorů. Obvod Thermoflagger odebírající proud 11,3 μA je navržen tak, aby umožňoval sledování teploty s nízkou spotřebo energie.

Prahová teplota detekce je určena konkrétním použitým PTC termistorem lze ji změnit výměnou termistoru za jiný. Pokud dojde k přehřátí, obvod Thermoflagger detekuje zvýšený odpor v termistoru PTC a upozorní jednotku MCU spuštěním změny na výstupu PTCGOOD (obrázek 3).

Obrázek 3: obvod Thermoflagger snímá nárůst odporu vyhřívaného PTC termistoru (dole) a porovnává jej s nízkými hodnotami odporu spojenými s normálními provozními teplotami (nahoře). (Zdroj obrázku: Toshiba)

Princip funkce obvodu Thermoflagger

Thermoflagger je přesný analogový integrovaný obvod s výstupem optimalizovaným pro připojení k hostitelské jednotce MCU. Následující popis činnosti tohoto obvodu odkazuje na číselné pozice níže uvedeného obrázku 4:

1. Svorka PTCO dodává konstantní proud, který se pomocí odporu jednoho nebo více připojených PTC termistorů převádí na napětí. Právě díky vnitřnímu zdroji konstantního proudu se řešení s obvody Thermoflagger stává necitlivým na změny napájecího napětí, což představuje významný rozdíl v porovnání s jinými metodami monitorování teploty. Pokud se termistor PTC zahřeje a jeho odpor výrazně stoupne, napětí PTCO se zvýší na úroveň napájecího napětí (V_DD). Napětí PTCO stoupne na úroveň V_DD také v případě rozpojení svorky PTCO.
2. Pokud napětí PTCO přesáhne úroveň detekčního napětí, výstup komparátoru bude invertován a na odešle „nízkou úroveň“. Přesnost výstupu PTCO je ±8 %.
3. Obvody Thermoflagger jsou k dispozici ve dvou výstupních formátech: open-drain a push-pull. Výstupy typu open-drain vyžadují pull-up rezistor. Výstupy push-pull nevyžadují žádný rezistor.
4. Poté, co je výstup komparátoru invertován, je blokován (za předpokladu, že obvod Thermoflagger obsahuje volitelnou funkci blokování), aby se zabránilo změně výstupu v důsledku poklesu teploty termistoru PTC.
5. Blokování se uvolní přivedením signálu na pin RESET.

Obrázek 4: blokové schéma znázorňující hlavní funkce obvodu Thermoflagger, přesného analogového integrovaného obvodu s výstupem optimalizovaným pro připojení k hostitelské jednotce MCU. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Aplikační kritéria

Řešení s obvody Thermoflagger mohou být zvláště užitečná pro monitorování tranzistorů MOSFET nebo regulátorů LDO v napájecích obvodech velkých integrovaných obvodů, například systémů na čipu (SoC) a obvodů motorových pohonů v průmyslových a spotřebitelských systémech. K typický aplikacím patří notebooky (obrázek 5), robotické vysavače, bílé zboží, tiskárny, ruční nářadí napájené z baterií, nositelná elektronika a podobná zařízení. Příklady integrovaných obvodů Thermoflagger:

1. TCTH021BE s výstupním proudem PTCO 10 µA a neblokujícím open-drain výstupem
2. TCTH022BE s výstupním proudem PTCO 10 µA a blokujícím open-drain výstupem
3. TCTH021AE s výstupním proudem PTCO 10 µA a blokujícím push-pull výstupem

Obrázek 5: znázornění typické implementace obvodu Thermoflagger v notebooku. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Stejně jako všechny přesné integrované obvody má i Thermoflagger specifické požadavky na integraci do systému včetně následujících:

• Napětí přiváděné na pin PTCO nesmí překročit 1 V.
• Obvod Thermoflagger musí být chráněn proti šumu systému, aby byl zajištěn spolehlivý provoz interního komparátoru.
• Obvod Thermoflagger a PTC termistory by měly být umístěny v dostatečné vzdálenosti od sebe, aby se zabránilo přenosu tepla přes desku plošných spojů do obvoduThermoflagger.
• Oddělovací kondenzátor umístěný mezi svorkami V_DD a GND pomůže zajistit stabilní provoz.
• Všechny piny GND musejí být připojeny na zem systému.

Jednoduchá redundance

Některé systémy mohou využívat výhod redundantního monitorování teploty. To může platit zejména v případě, je-li monitorován drahý integrovaný obvod nebo je-li zapojena kriticky důležitá funkce. Jednoduchost a malé rozměry řešení s obvodem Thermoflagger usnadňují integraci další vrstvy monitorování teploty, což vede k robustnímu a spolehlivému monitorovacímu systému (obrázek 6).

Obrázek 6: obvod Thermoflagger může k základnímu řešení monitorování teploty na bázi monitorovacích integrovaných obvodů (vlevo) přidat vrstvu nebo redundanci (vpravo). (Zdroj obrázku: Toshiba)

Závěr

Pro zajištění spolehlivého výkonu systému musejí konstruktéři monitorovat přebytečné teplo. K dispozici je několik možností monitorování tepla, včetně integrovaných obvodů se snímáním teploty a PTC termistorů. Novější možnost představuje obvod Thermoflagger od společnosti Toshiba, který přináší mnoho výhod včetně využití několika levných PTC termistorů, menšího půdorysu, nižšího počtu součástí, jediného připojení k jednotce MCU, odolnosti vůči kolísání napájení a možnosti implementace jednoduchého redundantního monitorování teploty.