你的位置:首頁(yè) > 互連技術(shù) > 正文

實(shí)施精確、低功耗、緊湊型溫度監(jiān)測(cè)的新方法

發(fā)布時(shí)間:2023-11-14 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】對(duì)于可穿戴設(shè)備、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)設(shè)備等幾乎所有電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),發(fā)熱都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。不易察覺(jué)的熱量積聚尤其棘手。為避免出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題,有幾種測(cè)熱方法可供選擇,包括溫度感應(yīng) IC 和正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻。然而,這些方法都有其局限性。每種感測(cè)方法都使用多個(gè)元器件,而這些元器件需要與主機(jī)微控制器單元 (MCU) 的專(zhuān)用連接,占用寶貴的電路板空間,設(shè)計(jì)耗時(shí),而且精度有限。


對(duì)于可穿戴設(shè)備、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)設(shè)備等幾乎所有電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),發(fā)熱都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。不易察覺(jué)的熱量積聚尤其棘手。為避免出現(xiàn)此類(lèi)問(wèn)題,有幾種測(cè)熱方法可供選擇,包括溫度感應(yīng) IC 和正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻。然而,這些方法都有其局限性。每種感測(cè)方法都使用多個(gè)元器件,而這些元器件需要與主機(jī)微控制器單元 (MCU) 的專(zhuān)用連接,占用寶貴的電路板空間,設(shè)計(jì)耗時(shí),而且精度有限。

不過(guò),設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有了新的選擇。人們開(kāi)發(fā)了可與多個(gè) PTC 熱敏電阻配合使用的 IC,使單個(gè) IC 只需與主機(jī) MCU 的一個(gè)連接,即可執(zhí)行精確的超溫檢測(cè)。為了提供高度的設(shè)計(jì)靈活性,這些 IC 可選擇輸出電流,以支持各種 PTC 熱敏電阻。它們有多種 MCU 接口可供選擇,并可包括閉鎖功能。采用 1.6 x 1.6 x 0.55 mm 的微型 SOT-553 封裝,這些器件的電流消耗為 11.3 μA,從而實(shí)現(xiàn)了緊湊型低功耗解決方案。

本文介紹了電子系統(tǒng)中的各種熱源,并探討了一些將 PTC 熱敏電阻與感測(cè) IC 或分立式晶體管結(jié)合使用的溫度監(jiān)測(cè)解決方案。文中還將這些解決方案與溫度測(cè)量 IC 進(jìn)行了比較。本文還將介紹并解釋如何應(yīng)用來(lái)自 Toshiba 的 IC,這些 IC 是實(shí)現(xiàn)低功耗、高成本效益熱保護(hù)的典范。

熱源

電子元器件產(chǎn)生的熱量會(huì)對(duì)用戶(hù)安全和設(shè)備/系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。中央處理器 (CPU)、圖形處理器 (GPU)、專(zhuān)用集成電路 (ASIC)、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP) 等大型 IC 會(huì)產(chǎn)生大量熱量。雖然它們需要保護(hù),但還不是僅有的必須監(jiān)測(cè)是否過(guò)熱的器件。

電流在流經(jīng)電阻時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量,而在大型 IC 中,有成千上萬(wàn)甚至數(shù)百萬(wàn)個(gè)微熱源,這些微熱源積聚在一起,會(huì)給熱管理帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。這些 IC 通常需要在電源引腳附近直接進(jìn)行精確的電壓調(diào)節(jié)。這可能需要多相負(fù)載點(diǎn) (POL) DC-DC 轉(zhuǎn)換器或低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器。POL 中的功率 MOSFET 和 LDO 中的傳輸晶體管的導(dǎo)通電阻可能導(dǎo)致器件過(guò)熱,從而降低電壓調(diào)節(jié)精度,并影響系統(tǒng)性能。

產(chǎn)生熱量的不僅僅是 POL 和 LDO。我們需要對(duì)一系列系統(tǒng)上的熱量進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理,包括 AC-DC 電源、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、不間斷電源系統(tǒng)、太陽(yáng)能逆變器、電動(dòng)汽車(chē) (EV) 傳動(dòng)系統(tǒng)、射頻 (RF) 放大器,以及光探測(cè)和測(cè)距 (LiDAR) 系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可能包括用于大量?jī)?chǔ)能的電解電容器、用于電壓轉(zhuǎn)換和隔離的電磁互感器、用于電氣隔離的光隔離器以及激光二極管。

電解電容器中的紋波電流、變壓器中的渦流、光隔離器中 LED 的電流,以及 LiDAR 中的激光二極管,都是這些器件中的潛在熱源。在所有這些情況下,溫度監(jiān)測(cè)都有助于提高安全性、性能和可靠性。

傳統(tǒng) PTC 熱敏電阻方法

監(jiān)測(cè)溫度是熱保護(hù)的關(guān)鍵第一步。一旦發(fā)現(xiàn)超溫情況,就可以采取補(bǔ)救措施。PTC 熱敏電阻通常用于監(jiān)測(cè)印刷電路板上的溫度。PTC 熱敏電阻的電阻率會(huì)隨著溫度的升高而增加。PTC 熱敏電阻設(shè)計(jì)針對(duì)過(guò)流、短路保護(hù)和溫度監(jiān)測(cè)等特定功能進(jìn)行了優(yōu)化。溫度監(jiān)測(cè) PTC 熱敏電阻采用溫度系數(shù)較高的半導(dǎo)體陶瓷制成。在室溫下,它們的電阻值相對(duì)較低,但當(dāng)加熱到居里溫度以上時(shí),電阻值會(huì)迅速上升。

PTC 熱敏電阻可單獨(dú)用于監(jiān)測(cè)特定器件(例如 GPU),也可多個(gè)串聯(lián)用于監(jiān)測(cè)更多器件(例如 POL 中的 MOSFET)。使用 PTC 熱敏電阻實(shí)施溫度監(jiān)測(cè)有多種方法。兩種常見(jiàn)的方法是使用傳感器 IC 或分立式晶體管來(lái)監(jiān)測(cè) PTC 熱敏電阻的電阻(圖 1)。


實(shí)施精確、低功耗、緊湊型溫度監(jiān)測(cè)的新方法
圖 1:使用 PTC 熱敏電阻的兩種常見(jiàn)溫度監(jiān)測(cè)方案分別采用傳感器接口 IC(左)和分立式晶體管解決方案(右)。(圖片來(lái)源:Toshiba)


在這兩種情況下,PTC 熱敏電阻鏈與主機(jī) MCU 之間只有單個(gè)連接。選擇這些方法時(shí),需要在以下幾個(gè)方面做出權(quán)衡取舍:

· 元器件數(shù):IC 解決方案使用三個(gè)元器件,而晶體管方法需要六個(gè)器件
· 貼裝面積:由于使用的元器件較少,IC 解決方案所需的電路板面積也較小
· 精度:這兩種方法都容易受到電源電壓變化的影響,但晶體管方法還容易受到溫度升高時(shí)晶體管特性變化的影響??傮w而言,IC 方法可以提供更高的精度
· 成本:晶體管方法使用的器件價(jià)格低廉,相比 IC 方法具有成本優(yōu)勢(shì)

傳感器 IC 和 Thermoflagger

可以使用多個(gè)溫度感測(cè) IC 代替 PTC 熱敏電阻。溫度感測(cè) IC 會(huì)測(cè)量其芯片溫度,從而估計(jì)印刷電路板的溫度。印刷電路板和 IC 之間的熱阻越低,溫度估計(jì)值越準(zhǔn)確。只要正確貼裝在印刷電路板上,溫度感測(cè) IC 就能提供高度精確的測(cè)量。使用溫度感測(cè) IC 有兩個(gè)限制因素,第一個(gè)是必須在需要測(cè)量溫度的每個(gè)點(diǎn)放置一個(gè) IC,第二個(gè)是每個(gè) IC 都需要與主機(jī) MCU 建立專(zhuān)用連接。

Toshiba 的 Thermoflagger 提供了第四種選擇。與使用溫度測(cè)量 IC 相比,使用 Thermoflagger 只需增加一個(gè)元器件,即可實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量電路。Thermoflagger 解決方案不需要與主機(jī) MCU 的多個(gè)連接,而只需單個(gè) MCU 連接,因而能夠使用廉價(jià)的 PTC 熱敏電阻同時(shí)監(jiān)測(cè)多個(gè)位置(圖 2)。


實(shí)施精確、低功耗、緊湊型溫度監(jiān)測(cè)的新方法
圖 2:溫度傳感器 IC 監(jiān)測(cè)通常需要在每個(gè)潛在熱源處使用一個(gè) IC,并為每個(gè)傳感器 IC 提供 MCU 連接(左);使用 Thermoflagger 和多個(gè) PTC 熱敏電阻的解決方案只需單個(gè) MCU 連接(右)。(圖片來(lái)源:Toshiba)


考慮使用 Thermoflagger 的更多原因包括:

· 與其他解決方案相比,它占用的電路板面積更小
· 它不受電源電壓變化的影響
· 它可用于實(shí)施簡(jiǎn)單的冗余溫度監(jiān)測(cè)

Thermoflagger 解決方案是什么樣的?

Thermoflagger 為連接的 PTC 熱敏電阻提供一個(gè)小恒定電流,并監(jiān)測(cè)其電阻。它可以監(jiān)測(cè)單個(gè) PTC 熱敏電阻或 PTC 熱敏電阻鏈。溫度升高時(shí),根據(jù)所監(jiān)測(cè)的特定 PTC 熱敏電阻,PTC 熱敏電阻的電阻會(huì)迅速上升,Thermoflagger 會(huì)檢測(cè)到電阻的增加。Thermoflagger 具有不同的恒定電流,例如 1 或 10 μA,以適應(yīng)各種不同的 PTC 熱敏電阻。Thermoflagger 的電流消耗為 11.3 μA,旨在實(shí)現(xiàn)低功耗監(jiān)測(cè)。

檢測(cè)觸發(fā)溫度取決于使用的特定 PTC 熱敏電阻,可通過(guò)替換不同的 PTC 熱敏電阻進(jìn)行更改。如果發(fā)生超溫,Thermoflagger 會(huì)檢測(cè)到 PTC 熱敏電阻的電阻增大,并觸發(fā) PTCGOOD 輸出的變化,向 MCU 發(fā)出警報(bào)(圖 3)。


實(shí)施精確、低功耗、緊湊型溫度監(jiān)測(cè)的新方法
圖 3:與正常工作溫度下的低電阻(上圖)相比,Thermoflagger 感測(cè)到加熱的 PTC 熱敏電阻的電阻上升(下圖)。(圖片來(lái)源:Toshiba)


Thermoflagger 的工作原理

Thermoflagger 是一款精密模擬 IC,其輸出經(jīng)過(guò)優(yōu)化,可與主機(jī) MCU 連接。以下對(duì)其工作原理的描述引用了下面圖 4 中的數(shù)據(jù):

1、恒流由 PTCO 端子提供,并利用一個(gè)或多個(gè)連接的 PTC 熱敏電阻的電阻轉(zhuǎn)換為電壓。正是內(nèi)部恒流源使得 Thermoflagger 解決方案對(duì)電源電壓變化不敏感,這是它與其他溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)相比的一大重要優(yōu)勢(shì)。如果 PTC 熱敏電阻發(fā)熱,電阻大幅增加,PTCO 電壓就會(huì)增加至電源電壓 (VDD)。如果 PTCO 端子斷開(kāi),PTCO 電壓也會(huì)升至 VDD。
2、如果 PTCO 電壓超過(guò)檢測(cè)電壓,比較器的輸出將反轉(zhuǎn),并且發(fā)送“低”輸出。PTCO 輸出精度為 ±8%。
3、Thermoflagger IC 有兩種輸出格式:開(kāi)漏和推挽。開(kāi)漏輸出需要一個(gè)上拉電阻。推挽輸出無(wú)需電阻器。
4、比較器輸出反轉(zhuǎn)之后,它將被閉鎖(假設(shè) Thermoflagger 包括可選的閉鎖功能),以防止輸出因 PTC 熱敏電阻的溫度下降而發(fā)生變化。
5、向 RESET 引腳施加信號(hào)后,鎖存器被釋放。


實(shí)施精確、低功耗、緊湊型溫度監(jiān)測(cè)的新方法
圖 4:顯示 Thermoflagger 主要功能的框圖,Thermoflagger 是一種精密模擬 IC,其輸出經(jīng)過(guò)優(yōu)化,可與主機(jī) MCU 連接。(圖片來(lái)源:Toshiba)


應(yīng)用注意事項(xiàng)

Thermoflagger 解決方案尤其適用于監(jiān)測(cè)大型 IC (例如片上系統(tǒng) SoC)的電源電路中的 MOSFET 或 LDO,以及工業(yè)和消費(fèi)系統(tǒng)中的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。其典型應(yīng)用包括筆記本電腦(圖 5)、機(jī)器人真空吸塵器、家用電器、打印機(jī)、電池供電的手動(dòng)工具、可穿戴設(shè)備以及類(lèi)似設(shè)備。Thermoflagger IC 的例子包括:

· TCTH021BE,提供 10 μA 的 PTCO 輸出電流和非閉鎖開(kāi)漏輸出
· TCTH022BE,提供 10 μA 的 PTCO 輸出電流和閉鎖開(kāi)漏輸出
· TCTH021AE,提供 10 μA 的 PTCO 輸出電流和閉鎖推挽輸出


實(shí)施精確、低功耗、緊湊型溫度監(jiān)測(cè)的新方法
圖 5:筆記本電腦中的典型 Thermoflagger 實(shí)施。(圖片來(lái)源:Toshiba)


與所有精密 IC 一樣,Thermoflagger 也有特定的系統(tǒng)集成注意事項(xiàng),包括:

· 施加到 PTCO 引腳上的電壓不應(yīng)超過(guò) 1 V
· 應(yīng)避免 Thermoflagger 受到系統(tǒng)噪聲的影響,以確保內(nèi)部比較器的可靠運(yùn)行
· Thermoflagger IC 和 PTC 熱敏電阻之間應(yīng)保持足夠的間距,以防止熱量通過(guò)印刷電路板傳遞到 Thermoflagger IC
· 在 VDD 和 GND 之間放置去耦電容器,有助于確保穩(wěn)定運(yùn)行
· 所有 GND 引腳必須連接到系統(tǒng)地線

簡(jiǎn)單冗余

一些系統(tǒng)可受益于冗余溫度監(jiān)測(cè)。如果監(jiān)測(cè)的是成本昂貴的 IC,或者涉及到關(guān)鍵功能,情況更是如此。Thermoflagger 解決方案非常簡(jiǎn)單,而且體積小巧,因而可以輕松集成更多的溫度監(jiān)測(cè)層,從而構(gòu)建強(qiáng)大可靠的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(圖 6)。


實(shí)施精確、低功耗、緊湊型溫度監(jiān)測(cè)的新方法
圖 6:Thermoflagger 可為基于溫度監(jiān)測(cè) IC(左)的基本溫度監(jiān)測(cè)解決方案增加溫度監(jiān)測(cè)層或冗余(右)。(圖片來(lái)源:Toshiba)


總結(jié)

為確保可靠的系統(tǒng)性能,設(shè)計(jì)人員必須監(jiān)測(cè)過(guò)熱現(xiàn)象。他們可以采用多個(gè)熱監(jiān)測(cè)選項(xiàng),包括溫度感測(cè) IC 和 PTC 熱敏電阻。Toshiba 的 Thermoflagger 是一種較新的可選產(chǎn)品,它具備諸多優(yōu)點(diǎn),包括使用多個(gè)低成本 PTC 熱敏電阻、基底面較小、元器件數(shù)量較少、與 MCU 只有單個(gè)連接、抗電源波動(dòng)能力強(qiáng),另外還可實(shí)施簡(jiǎn)單的冗余溫度監(jiān)測(cè)。

(作者:Jeff Shepard)

 

免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。


推薦閱讀:

IEPE傳感器與電荷輸出傳感器

『這個(gè)知識(shí)不太冷』探索5G射頻技術(shù)(下)

連接器如何推動(dòng)可持續(xù)發(fā)展

自走式電器上的電池放電保護(hù)

高壓MOS/低壓MOS在單相離線式不間斷電源上的應(yīng)用

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
熱門(mén)搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉