Pro měření teploty uvnitř elektronického zařízení se běžně využívají integrované obvody, které samy o sobě snímají teplotu. Každý takový obvod je připojen k hostitelskému mikrokontroleru, ale to zabírá cenné místo na desce, využívá velkého množství pinů pro komunikaci a přesnost měření není dostačující. Proto existuje obvod, který dokáže komunikovat s ​​více PTC termistory a k hostitelskému mikrokontroleru se připojuje pouze jedním rozhraním. Pro zajištění vysoké úrovně flexibility nabízí tyto obvody různé velikosti výstupních proudů, aby mohli podpořit širokou škálu PTC termistorů. Tento obvod se nazývá Thermoflagger a je umístěn do pouzdra SOT-553 o velikosti 1,6 x 1,6 x 0,55 mm a jeho vlastní proudová spotřeba je pouhých 11,3 μA.

Tento článek se věnuje zdrojům tepla v elektronickém systému a přestaví některá řešení monitorování teploty pomocí termistorů PTC kombinovaných se snímacími integrovanými obvody nebo diskrétními tranzistory. Uvedeme si příklady integrovaných obvodů Toshiba, které jsou příkladem nízkoenergetické a nákladově efektivní tepelné ochrany.

Zdroje tepla v elektronickém obvodu

Teplo generované elektronickými součástkami negativně ovlivňuje nejen bezpečnost uživatele, ale ohrožuje i správnou funkčnost zařízení a nakonec i celého systému. Velké integrované obvody jako jsou centrální procesory (CPU), grafické procesory (GPU), aplikačně specifické integrované obvody (ASIC), programovatelná hradlová pole (FPGA) a digitální signálové procesory (DSP) jsou velkým zdrojem tepla. Tyto součástky nejsou ale jediné, které je vhodné monitorovat kvůli nadměrné teplotě.

Proud protékající jakýmkoli odporem způsobuje teplo a v případě velkých integrovaných obvodů existují tisíce nebo miliony mikrozdrojů tepla, které mohou vytvořit velký problém s řízením teploty. Integrované obvody často potřebují přesnou regulaci napětí přímo u jejich napájecích pinů. Pro regulaci napětí se využívají vícefázové stejnosměrné DC-DC měniče (POL) nebo LDO regulátory. Odpory výkonových MOSFETů v POL měničů a tranzistorů v LDO regulátorech mohou způsobit přehřátí, snížit přesnost regulace napětí a ohrozit výkon celého systému.

Teplota by měla být monitorována a řízena i v aplikacích typu AC-DC napájecí zdroje, motorové pohony, solární invertory, pohonné jednotky elektrických vozidel, vysokofrekvenční zesilovače nebo LiDAR radary. Tyto systémy obsahují elektrolytické kondenzátory, elektromagnetické transformátory, optočleny nebo laserové diody. Zvlnění proudu v elektrolytickém kondenzátoru, vířivé proudy v transformátorech, proud v LED v optočlenech a laserových diodách v LiDARu patří mezi potenciální zdroje tepla. Monitorování teploty může ve všech těchto případech pomoci zlepšit bezpečnost, výkon a spolehlivost.

Řešení pomocí PTC termistorů

Monitorování teploty je zásadním procesem tepelné ochrany. Jakmile je detekován stav přehřátí, lze provést nápravné opatření. PTC termistory se často používají k monitorování teploty na desce. U PTC termistoru se zvyšuje elektrický odpor, když jeho teplota stoupá. Obvod s PTC termistorem je vždy navržen pro specifickou funkci jako je nadproudová ochrana, ochrana proti zkratu nebo monitorování teploty. PTC termistory pro monitorování teploty jsou vyrobeny z polovodičové keramiky s vysokým teplotním koeficientem. Mají relativně nízké hodnoty odporu při pokojové teplotě, ale jejich odpor prudce stoupá, když jejich teplota překračuje jejich Curieovu teplotu.

PTC termistory lze použít jednotlivě k monitorování konkrétní části zařízení nebo systému jako je například grafická jednotka GPU nebo je lze použít několik v sérii a monitorovat tak několik částí současně jako jsou MOSFETy v POL měničích. Existuje několik způsobů, jak implementovat monitorování teploty pomocí PTC termistorů. Dvě běžné metody jsou použití integrovaného obvodu a realizace obvodu pomocí diskrétních tranzistorů (obrázek 1).

Obrázek 1: Dva běžné obvody pro monitorování teploty s termistory PTC. Vlevo pomocí integrovaného obvodu a vpravo pomocí diskrétního řešení s tranzistorem. (Zdroj obrázku: Toshiba)

V obou případech existuje jediné připojení k hostitelskému MCU pro řetězec PTC termistorů. Každý z řešení má své výhody a nevýhody:

• Počet komponent: Řešení pomocí integrovaného obvodu používá tři komponenty ve srovnání se šesti komponentami v případě tranzistorového řešení
• Zabraná plocha: IC řešení vyžaduje menší plochu desky
• Přesnost: Obě řešení jsou citlivé na změny napájecího napětí, ale tranzistorové řešení je citlivé na změny charakteristik tranzistorů, když jejich teplota stoupá. Obecně může integrované řešení mít lepší přesnost
• Cena: Tranzistorové řešení může být levnější

Integrované obvody a Thermoflagger

Místo PTC termistorů lze použít více integrovaných obvodů se snímáním teploty. Integrované obvody se snímáním teploty měří teplotu uvnitř křemíku, a tím mohou odhadnout teplotu desky plošných spojů. Čím nižší je tepelný odpor mezi deskou a integrovaným obvodem, tím lepší je odhad teploty. Při správné montáži na desce mohou integrované obvody poskytovat velmi vysokou přesnost měření. Existují dva omezující faktory použití integrovaných snímacích obvodů teploty. Je nutné umístit integrovaný obvod do každého bodu, kde je potřeba měřit teplotu a každý integrovaný obvod potřebuje své vyhrazené komunikační připojení k hostitelskému MCU.

Thermoflagger od Toshiby nabízí další řešení. Pomocí Thermoflaggeru lze PTC termistory pro měření teploty implementovat pouze s jednou přídavnou komponentou. Namísto více komunikačního připojení k hostitelskému MCU vyžaduje Thermoflagger pouze jedno připojení. To umožňuje použít levné PTC termistory pro současné monitorování teploty na více místech (obrázek 2).

Obrázek 2: Monitorování teploty pomocí IC snímače teploty obvykle vyžaduje integrovaný obvod u každého potenciálního zdroje tepla a připojení k MCU pro každý IC snímač (vlevo). Řešení pomocí Thermoflaggeru umožňuje použít více PTC termistorů a jen jedno připojení k MCU (vpravo). (Zdroj obrázku: Toshiba)

Mezi další důvody, proč zvážit řešení Thermoflagger patří:

• Ve srovnání s jinými řešeními zabírá výrazně méně plochy na desce
• Není ovlivněn kolísáním napájecího napětí
• Lze jej použít k implementaci jednoduchého redundantního monitorování teploty

Jak vypadá řešení pomocí Thermoflagger?

Thermoflagger dodává malý konstantní proud do připojených PTC termistorů a monitoruje jejich odpor. Může monitorovat jen jediný PTC termistor nebo řetězec PTC termistorů. Při zvýšené teplotě odpor PTC termistoru rychle narůstá, který Thermoflagger spolehlivě monitoruje. Termoflaggery jsou k dispozici s různými hodnotami výstupních proudů například 1 nebo 10 µA, aby pokryly vlastnosti různých PTC termistorů. Trigger teplota neboli spouštěcí teplota je dána konkrétním PTC termistorem a lze ji změnit nahrazením jiným termistorem. Pokud dojde k přehřátí, Thermoflagger detekuje zvýšený odpor v termistoru a na výstupu PTCGOOD dojde ke změně, a tím se předá informace o přehřátí MCU (obrázek 3).

Obrázek 3: Thermoflagger detekuje nárůst odporu PTC termistoru (dole) ve srovnání s nízkou hodnotou odporu v normálním provozu (nahoře). (Zdroj obrázku: Toshiba)

Jak funguje Thermoflagger

Thermoflagger je přesný analogový integrovaný obvod s výstupem pro hostitelský MCU. Činnost thermoflaggeru je popsán v následujících krocích, kde čísla korespondují s čísly na obrázku 4:

1. Konstantní proud je přiveden z pinu PTCO a převeden na napětí pomocí odporu jednoho nebo více připojených PTC termistorů. Vnitřní zdroj konstantního proudu dělá z Thermoflaggeru necitlivým na změny napájecího napětí. To je významný rozdíl ve srovnání s ostatními řešeními monitorování teploty. Pokud se PTC termistor zahřeje, jeho vnitřní odpor prudce roste, napětí PTC se zvýší až na napájecí napětí (V_DD). Napětí na pinu PTCO také stoupne na hodnotu V_DD.
2. Pokud napětí PTCO překročí detekční napětí, výstup komparátoru se invertuje a výstup se přepne na nižší úroveň „Low“. Přesnost výstupu PTCO je ±8 %.
3. Thermoflaggery jsou k dispozici se dvěma výstupními formáty: open-drain (otevřený kolektor) a push-pull. Výstupy s otevřeným kolektorem vyžadují pull-up rezistor.
4. Poté, co je výstup komparátoru invertován, je blokován (za předpokladu, že Thermoflagger obsahuje volitelnou funkci blokování - latch), aby se zabránilo změně výstupu v důsledku poklesu teploty termistoru.
5. Blokování (Latch) se uvolní přivedením signálu na pin RESET.

Obrázek 4: Blokové schéma ukazující klíčové části Thermoflaggeru - přesného analogového integrovaného obvodu s výstupem pro hostitelské MCU. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Kde je vhodné použít Thermoflagger?

Thermoflaggery jsou vhodné pro monitorování MOSFETů nebo LDO měničů v napájecích obvodech s velkými integrovanými obvody jako jsou SoC čipy (SoC) nebo pro monitorování teploty řídících obvodů motorů v průmyslových a spotřebitelských systémech. Mezi typické aplikace patří notebooky (obrázek 5), robotické vysavače, bílé zboží, tiskárny, ruční nářadí na baterie nebo nositelná zařízení. 

Příklady Thermoflaggerů:

• TCTH021BE s výstupním proudem 10 µA PTCO a výstupem s otevřeným kolektorem bez funkce latch (blokování)
• TCTH022BE s výstupním proudem 10 µA PTCO a výstupem s otevřeným kolektorem s funkcí latch (blokováním)
• TCTH021AE s výstupním proudem 10 µA PTCO a push-pull výstupem s funkcí latch (blokováním)

Obrázek 5: Typická implementace Thermoflaggeru v notebooku. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Stejně jako všechny přesné integrované obvody má Thermoflagger specifické požadavky:

• Napětí přivedené na pin PTCO by nemělo překročit 1 V
• Thermoflagger by měl být chráněn před rušením, aby byl zajištěn spolehlivý provoz interního komparátoru
• Thermoflagger a PTC termistory by měly být od sebe dostatečně daleko, aby se zabránilo přenosu tepla přes desku přímo do Thermoflaggeru
• Oddělovací kondenzátor umístěný mezi V_DD a GND zajistí stabilní provoz
• Všechny piny GND musí být spojeny se zemí GND

Jednoduchá redundance

V případě, kdy je nutné monitorovat drahý integrovaný obvod, tak se využívá redundantní monitorování teploty. Jednoduchost a malá velikost řešení Thermoflaggeru usnadňuje integraci další vrstvy monitorování teploty, a to vede k robustnímu a spolehlivému systému monitorování teploty (obrázek 6).

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

Závěr

Aby byl zajištěn spolehlivý výkon systému je nutné monitorovat teplotu na důležitých místech desky. K dispozici je několik možností monitorování tepla jako je použití integrovaných obvodů se snímáním teploty a PTC termistorů. Novější možností jsou Thermoflaggery, které poskytují mnoho výhod. Například použití více levných termistorů PTC a tím monitorovat více částí systému. Toto řešení zabírá menší plochu na desce, je potřeba menší počet komponent, k MCU se PTC termistory připojují pouze jednou komunikační linkou, je odolné vůči kolísání napájení a je možné vytvořit jednoduše redundantní monitorování teploty.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com