Újszerű megoldás pontos, kis energiaigényű és kompakt hőmérséklet-felügyelet megvalósítására

Az elektronikai eszközök áramkörei által termelt hő szinte bármilyen elektronikus rendszer tervezésekor problémát jelenthet, például a viselhető eszközöknél, a háztartási gépeknél valamint az orvosi és az ipari berendezéseknél. Az észrevétlen hőképződés különösen kellemetlen következményekkel járhat. Több módszer is létezik az ilyen természetű problémák elkerülésére, többek között használhatók hőmérséklet-érzékelő IC-k és pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PTC) termisztorok a hőmérsékletek mérésére. Ezen eszközöknek azonban megvannak a maguk korlátai. Mindezen mérési módszerek esetén több alkatrész használatára van szükség, dedikált kapcsolatot igényelnek a gazda mikrovezérlővel, értékes helyet foglalnak el a nyomtatott áramköri lapon, a konstrukciókba való beépítésük tervezési időt igényel és a pontosságuk is korlátozott.

A tervezők azonban dönthetnek egy új rendelkezésre álló lehetőség mellett is. A gyártók mára már olyan IC-ket fejlesztettek ki, amelyek egyszerre több PTC termisztorral is használhatók, és amelyeknél a gazda mikrovezérlőhöz kapcsolódó egyetlen IC is képes pontosan érzékelni a túlmelegedést. Nagyfokú tervezési rugalmasságot biztosít, hogy ezeknél az IC-knél különböző kimeneti áramok választhatók a különböző típusú PTC termisztorok támogatására. Többféle interfész opciókkal kaphatók a mikrovezérlőkhöz való csatlakozásra, és rendelkezhetnek a kimeneti jel állapotának tartására képes funkcióval is. Apró, 1,6 x 1,6 x 0,55 mm-es SOT-553 tokozásban kaphatók, és 11,3 μA áramfelvételűek, így kompakt és alacsony fogyasztású megoldások létrehozását teszik lehetővé.

Ez a cikk az elektronikus rendszerekben termelt hő forrásait tekinti át, majd ezután néhány olyan hőmérséklet-felügyeleti megoldással foglalkozik, amelyekben erre a célra PTC termisztorokat használnak, érzékelő IC-kkel vagy diszkrét tranzisztorokkal kombinálva. Ezeket a megoldásokat összehasonlítja hőmérsékletmérő IC-s megoldásokkal is. Bemutatja és elmagyarázza a Toshiba IC-k használatát, amelyek mintapéldái az alacsony fogyasztású, költséghatékony hővédelmi megoldásoknak.

Hőforrások

Az elektronikus alkatrészek által termelt hő negatívan befolyásolja a felhasználó biztonságát és a készülék, illetve a rendszer működését. A nagyméretű IC-k, mint amilyenek például a központi feldolgozó egységek (CPU-k), a grafikus feldolgozó egységek (GPU-k), az alkalmazásspecifikus IC-k (ASIC-k), a programozható logikai kapumátrixok (FPGA-k) és a digitális jelfeldolgozók (DSP-k) jelentős mennyiségű hőt termelhetnek. Tehát mindenféleképpen védeni kell őket, de nem ők az egyetlenek, amelyeket a túlzott hőtermelés szempontjából figyelni kell.

Ha egy elektromos ellenálláson áram folyik át, hő termelődik, és a nagy IC-kben több ezer vagy millió ilyen mikrohőforrás van, ami hőszabályozási szempontból nagy problémát jelenthet. Ugyanezeknél az IC-knél gyakran pontos feszültségszabályozást kell biztosítani közvetlenül a tápérintkezőik mellett. Ez megoldható többfázisú terhelés közeli (PoL) egyenáramú átalakítókkal vagy alacsony feszültségesésű lineáris szabályozókkal (LDO) is. Bekapcsolt állapotban a PoL-ekben lévő teljesítmény-MOSFET-ek és az LDO-k áteresztő tranzisztorainak ellenállása miatt termelődő hő következtében az eszközök túlmelegedhetnek, ami csökkenti a feszültségszabályozás pontosságát és veszélyezteti a rendszer működését.

Viszont nem csak a PoL-ek és az LDO-k termelnek hőt. A hőt számos rendszerben figyelni, és az elvezetésével foglalkozni kell, beleértve az AC-DC tápegységeket, a motorhajtásokat, a szünetmentes tápegységeket, a napenergia-invertereket, az elektromos járművek (EV) hajtásláncát, a rádiófrekvenciás (RF) erősítőket és a fényérzékelő és távolságmérő (LiDAR) rendszereket. Ezek a rendszerek elektrolit kondenzátorokat is tartalmazhatnak a tömeges energiatároláshoz, elektromágneses transzformátorokat feszültségátalakításhoz és galvanikus leválasztáshoz, optoizolátorokat az elektromos elválasztáshoz valamint lézerdiódákat.

Az elektrolit kondenzátorokban fellépő búgóáramok, a transzformátorok örvényáramai, a LED-en átfolyó áram az optoizolátorokban és a LiDAR-ban lévő lézerdiódák mind potenciális hőforrások ezekben az eszközökben. Mindezekben az esetekben a hőmérséklet figyelése segíthet a biztonság, a teljesítmény és a megbízhatóság javításában.

Hagyományos megoldások PTC termisztorokkal

Hővédelemnél az első és legfontosabb lépés maga a hőmérséklet figyelése. Ezután, túlmelegedés észlelése esetén lehetőség van korrekciós intézkedések végrehajtására. Nyomtatott áramköri lapoknál gyakran használnak PTC termisztorokat hőmérsékletek figyelésére. A PTC termisztoroknak az a tulajdonságuk, hogy elektromos ellenállásuk növekszik a hőmérséklet emelkedésével. Kialakításuk szerint a PTC termisztorokat speciális funkciókra optimalizálják, például túláram- és rövidzárlatvédelemhez, valamint hőmérséklet-felügyelethez. A hőmérséklet-figyelő PTC termisztorok magas hőmérsékleti együtthatóval rendelkező félvezető kerámia anyagok felhasználásával készülnek. Elektromos ellenállásuk szobahőmérsékleten viszonylag alacsony, de Curie-hőmérsékletük túllépése esetén gyorsan megnő.

A PTC termisztorok külön-külön is használhatók egy adott eszköz, például egy GPU megfigyelésére, de több is sorba kapcsolható egy szélesebb eszközcsoport, például egy PoL-ben lévő MOSFET-ek figyelésére. A hőmérséklet felügyelése PTC termisztorok használatával többféleképpen is megvalósítható. Két gyakori módszer az, amikor érzékelő IC-t vagy diszkrét tranzisztorokat használnak a PTC termisztorok ellenállásának ellenőrzésére (1. ábra).

1. ábra: PTC termisztorokkal megvalósított két gyakori hőmérséklet-felügyeleti kapcsolás, melyeknél érzékelő IC-ket (balra) vagy diszkrét tranzisztorokat (jobbra) alkalmaznak (kép: Toshiba)

A PTC termisztorokból álló lánc mindkét esetben egyetlen kapcsolaton keresztül csatlakozik a gazda mikrovezérlőhöz. Önmagában egyik megoldás sem tökéletes, mindkettő esetén az alkalmazásuk számos kompromisszummal jár:

• Alkatrészek száma: Az IC-s megoldás három alkatrészt tartalmaz, szemben a tranzisztoros megoldás hat alkatrészével.
• Szereléshez szükséges terület: Mivel kevesebb alkatrészt tartalmaz, az IC-s megoldáshoz kisebb területre van szükség a nyomtatott áramköri lapon.
• Precizitás: Mindkét megoldás érzékeny a tápfeszültség változásaira, de a tranzisztoros változatnál ezen túlmenően figyelembe kell venni a tranzisztorok műszaki jellemzőinek megváltozását is a hőmérsékletük emelkedésével. Mindent összevetve, az IC-s megoldás nagyobb pontosságot biztosíthat.
• Költségek: A tranzisztoros megoldás olcsó eszközöket tartalmaz, ami a költségeket illetően előnyösebb lehet az IC-s megoldásnál.

Érzékelő IC-k és Thermoflagger

PTC termisztorok helyett különböző típusú hőmérséklet-érzékelő IC-k is használhatók. A hőmérséklet-érzékelő IC-k a lapka hőmérsékletének mérésével becsülik meg a nyomtatott áramköri lap hőmérsékletét. Minél kisebb a hőellenállás a nyomtatott áramköri lap és az IC között, a hőmérséklet becslése annál pontosabb. A nyomtatott áramköri lapokra való megfelelően rászerelt állapotban a hőmérséklet-érzékelő IC-k rendkívül pontos mérésekre képesek, használhatóságukat azonban korlátozza, hogy minden hőmérséklet-mérési ponton el kell helyezni egy IC-t, és minden IC számára külön kapcsolatot kell biztosítani a gazda mikrovezérlővel.

Egy negyedik lehetőség a Toshiba Thermoflagger IC-k használata. A Thermoflagger használatával a hőmérsékletmérő áramköröknél mindössze eggyel több alkatrészt kell használni, mint a tisztán hőmérsékletmérő IC-s változatoknál. Előny viszont, hogy a Thermoflagger IC-s megoldásnál ahelyett, hogy több csatlakozást kellene megoldani a mikrovezérlőhöz, csak egyetlen MCU-kapcsolatra van szükség, aminek köszönhetően olcsó PTC termisztorok is használhatók különböző területek egyidejű megfigyelésére (2. ábra).

2. ábra: Hőmérséklet-érzékelő IC-n alapuló hőmérséklet-figyelésnél általában minden potenciális hőforrásnál egy külön IC-t kell elhelyezni, és minden egyes érzékelő IC számára külön útvonalat kell biztosítani a mikrovezérlőhöz (balra); a Thermoflagger IC-t és több PTC termisztort tartalmazó megoldásnál egyetlen mikrovezérlő-kapcsolat elegendő (jobbra) (kép: Toshiba)

További okok, amelyek miatt érdemes megfontolni a Thermoflagger használatát:

• Más megoldásokhoz képest kevesebb helyet foglal el a nyomtatott áramköri lapon
• Nem érzékeny a tápfeszültség ingadozásaira
• Egyszerű redundáns hőmérséklet-felügyelet megvalósítására használható

Hogyan néz ki egy Thermoflagger IC-s megoldás?

A Thermoflagger kis áramerősségű állandó árammal táplálja a csatlakoztatott PTC termisztorokat, és figyeli azok ellenállását. Képes felügyelni egyetlen PTC termisztort de sorba kapcsolt PTC termisztorokat is. A megfigyelt PTC termisztortól függően, a hőmérsékletének megemelkedése esetén az elektromos ellenállása gyorsan megnő, és a Thermoflagger érzékeli ezt a növekedést. A különböző állandó áramú, például 1 vagy 10 µA-es Thermoflagger IC-k különböző típusú PTC termisztorokkal használhatók. A 11,3 μA-es áramfelvételével a Thermoflaggert arra tervezték, hogy alacsony fogyasztású felügyeletet is lehetővé tegyen.

Az érzékelési küszöbhőmérsékletet a használt PTC termisztor műszaki jellemzői határozzák meg, és ez a hőmérséklet egy másik termisztor behelyezésével megváltoztatható. Hőmérsékleti határérték túllépése esetén a Thermoflagger érzékeli a PTC termisztor megnövekedett ellenállását, és átkapcsolja a PTCGOOD kimenetet, hogy figyelmeztesse erre a mikrovezérlőt (3. ábra).

3. ábra: A PTC termisztor felmelegedése esetén a Thermoflagger érzékeli a termisztor elektromos ellenállásának a növekedését (lent), összehasonlítva a normál üzemi hőmérséklethez tartozó alacsony ellenállásokkal (fent) (kép: Toshiba)

A Thermoflagger működése

A Thermoflagger egy precíziós analóg IC, amelyet úgy optimalizáltak, hogy egy gazda mikrovezérlő számára kimeneti jelet adjon. Működésének alábbi leírásához a 4. ábrán látható számok vonatkoznak:

1. A PTCO lábról biztosított kimeneti áram és az egy vagy több csatlakoztatott PTC termisztor ellenállása határozza meg a PTCO láb feszültségszintjét. A belső állandó áramforrás az, ami a Thermoflaggeres megoldást érzéketlenné teszi a tápfeszültség ingadozására, ami jelentős különbség más hőmérséklet-figyelési módszerekhez képest. Ha egy PTC termisztor felmelegszik és ellenállása jelentősen megnő, a PTCO lábon lévő feszültség a tápfeszültség értékére (V_DD) nő. A PTCO feszültsége akkor is V_DD-re emelkedik, ha a PTCO láb áramköre nyitva van.
2. Ha a PTCO feszültsége meghaladja az érzékelési feszültséget, a komparátor kimenete invertálódik és „Alacsony” kimeneti jelet küld. A PTCO kimeneti pontossága ±8%.
3. A Thermoflagger IC-k két kimeneti jelalakú változatban kaphatók: nyitott draines és push-pull. A nyitott draines kimenetekhez egy felhúzó ellenállás szükséges. Push-pull kimenetek esetén nincs szükség felhúzó ellenállásra.
4. Miután a komparátor kimenete invertálódott, a jelszint beáll és úgy marad (feltéve, ha a Thermoflagger rendelkezik az opcionális öntartás funkcióval), annak megakadályozására, hogy a kimenet a PTC termisztor hőmérsékletének csökkenése miatt megváltozzon.
5. Az öntartás feloldása a RESET lábra adott jellel történik.

4. ábra: A Thermoflagger precíziós analóg IC legfontosabb funkcióit bemutató blokkdiagram. Az IC-t arra optimalizálták, hogy egy gazda mikrovezérlő számára kimeneti jelet adjon (kép: Toshiba)

Felhasználási szempontok

A Thermoflagger IC-s megoldások különösen hasznosak lehetnek a nagy IC-k, például a System-on-Chip (SoC) áramkörök tápellátásában részt vevő MOSFET-ek vagy LDO-k figyelésére, valamint az ipari és fogyasztói rendszerek motorhajtási áramköreiben. Tipikus felhasználási esetei közé tartoznak a notebook számítógépek (5. ábra), a robotporszívók, a háztartási gépek, a nyomtatók, az akkumulátoros kéziszerszámok, a viselhető eszközök és más hasonló eszközök. Példák a Thermoflagger IC-kre:

1. TCTH021BE - 10 µA PTCO kimeneti áram, és nem öntartó, nyitott draines kimenet
2. TCTH022BE - 10 µA PTCO kimeneti áram, és öntartó, nyitott draines kimenet
3. TCTH021AE - 10 µA PTCO kimeneti áram, és nem öntartó, push-pull, kimenet

5. ábra: Thermoflagger IC tipikus használata notebook számítógépben (kép: Toshiba)

Mint minden precíziós IC-nél, a Thermoflagger használatakor is vannak speciális szempontok, amelyeket figyelembe kell venni a rendszerekbe történő beépítésekor. Ezek többek között a következők:

• A PTCO láb feszültsége nem haladhatja meg az 1 V-ot
• A Thermoflaggert védeni kell a rendszerzajoktól a belső komparátor megbízható működésének biztosításához
• A Thermoflagger IC-t és a PTC termisztorokat elég távol kell elhelyezni egymástól, hogy a hő ne terjedjen át a nyomtatott áramköri lapon keresztül a Thermoflaggerre
• A V_DD és GND közé helyezett leválasztó kondenzátor segít a stabil működés biztosításában
• Minden GND-lábat csatlakoztatni kell a rendszer földeléséhez

Egyszerű redundancia

Egyes rendszereknél előnyös lehet a redundáns hőmérséklet-felügyelet. Ez különösen fontos tud lenni drága IC-k felügyelésekor, vagy ha egy kritikus funkcióról van szó. A Thermoflagger egyszerűsége és kis mérete leegyszerűsíti egy újabb hőmérséklet-felügyeleti réteg létrehozását, amivel egy robusztus és megbízható hőmérséklet-felügyeleti rendszer alakítható ki (6. ábra).

6. ábra: A hőmérséklet-ellenőrző IC-ken alapuló alapvető hőmérséklet-ellenőrzési megoldás (balra) egy Thermoflagger IC hozzáadásával egy újabb réteggel vagy redundáns működési képességgel bővíthető (jobbra) (kép: Toshiba)

Összegzés

A rendszerek megbízható működésének és teljesítményének biztosításához a tervezőknek figyelemmel kell kísérniük az áramkörök által termelt hőt. Erre számos hőmérséklet-figyelési megoldás létezik, beleértve a hőmérséklet-érzékelő IC-ket és a PTC termisztorokat. Egy másik újabb lehetőség a Toshiba Thermoflagger IC-je, amely számos előnyt kínál. Többek között lehetővé teszi több olcsó PTC termisztor használatát, kevesebb helyet foglal el a NyÁK-on, kevesebb számú alkatrészt igényel, elegendő számára egyetlen útvonal a mikrovezérlőhöz, immunis a tápellátás ingadozásaira, valamint segítségével a redundáns hőmérséklet-felügyelet is egyszerűen megoldható.