O nouă abordare pentru implementarea unei monitorizări precise, compacte și cu consum redus de energie a temperaturii

Căldura poate reprezenta o provocare pentru cei care proiectează, practic, orice sistem electronic, cum ar fi dispozitivele purtabile, electrocasnicele, echipamentele medicale și echipamentele industriale. Acumularea de căldură neobservată poate fi deosebit de problematică. Pentru a evita o astfel de situație, există mai multe opțiuni disponibile pentru detectarea căldurii, inclusiv circuite integrate de detectare a temperaturii și termistoare cu coeficient pozitiv de temperatură (PTC). Totuși, acestea au anumite limite. Fiecare opțiune de detecție utilizează mai multe componente, necesită o conexiune dedicată la unitatea microcontrolerului (MCU) gazdă, ocupă un spațiu prețios pe placă, necesită timp pentru proiectare și are o precizie limitată.

Acestea fiind spuse, designerii au o nouă opțiune. Au fost dezvoltate circuite integrate pentru utilizare cu mai multe termistoare PTC care permit unui singur CI să efectueze o detecție precisă a supratemperaturii cu o singură conexiune la MCU gazdă. Pentru a oferi un nivel ridicat de flexibilitate în proiectare, aceste circuite integrate selectează curenți de ieșire pentru a susține diferite termistoare PTC. Acestea sunt disponibile cu o gamă variată de interfețe MCU și pot include o funcție de blocare. Sunt furnizate într-o capsulă mică SOT-553 de 1,6 x 1,6 x 0,55 milimetri (mm) și au un consum de curent de 11,3 microamperi (μA), permițând astfel soluții compacte și cu consum redus de energie.

Acest articol trece în revistă sursele de căldură dintr-un sistem electronic și examinează unele soluții de monitorizare a temperaturii folosind termistoare PTC combinate cu circuite integrate de detecție sau tranzistoare discrete. De asemenea, compară aceste soluții cu circuitele integrate de măsurare a temperaturii. Articolul prezintă și explică modul de aplicare a circuitelor integrate de la Toshiba, care exemplifică protecția termică rentabilă și cu consum redus de energie.

Surse de căldură

Căldura generată de componentele electronice are un impact negativ asupra siguranței utilizatorului și asupra funcționării dispozitivului/sistemului. Circuitele integrate de mari dimensiuni, cum ar fi unitățile centrale de procesare (CPU), unitățile de procesare grafică (GPU), circuitele integrate specifice aplicațiilor (ASIC), rețelele de porți programabile în câmp (FPGA) și procesoarele de semnal digital (DSP) pot produce cantități substanțiale de căldură. Acestea au nevoie de protecție, dar nu sunt singurele dispozitive care trebuie monitorizate pentru a detecta căldura excesivă.

Curentul care trece printr-o rezistență produce căldură, iar în cazul circuitelor integrate de mari dimensiuni, există mii sau milioane de micro-surse de căldură care pot duce la o mare provocare legată de gestionarea termică. Aceleași circuite integrate au adesea nevoie de o reglare precisă a tensiunii direct adiacentă pinilor lor de alimentare. Acest lucru poate necesita convertoare c.c. - c.c. multifazate cu punct de sarcină (POL) sau regulatoare liniare cu cădere redusă (LDO). Rezistențele la pornire ale MOSFET-urilor de putere din POL și ale tranzistoarelor de trecere din LDO pot provoca supraîncălzirea dispozitivelor, reducând precizia reglării tensiunii și compromițând performanța sistemului.

Nu doar POL-urile și LDO-urile generează căldură. Căldura trebuie monitorizată și gestionată în cadrul unei serii de sisteme, inclusiv în sursele de alimentare c.a. - c.c., acționările motoarelor, sistemele de alimentare neîntreruptibilă, invertoarele solare, grupurile motopropulsoare ale vehiculelor electrice (EV), amplificatoarele de radiofrecvență (RF) și sistemele de detectare și de telemetrie (LiDAR). Aceste sisteme pot include condensatoare electrolitice pentru stocarea energiei în masă, transformatoare electromagnetice pentru transformarea și izolarea tensiunii, optoizolatoare pentru izolarea electrică și diode laser.

Curenții de ondulație din condensatoarele electrolitice, curenții turbionari din transformatoare, fluxul de curent în ledul din optoizolatoare și diodele laser din LiDAR se numără printre sursele potențiale de căldură din aceste dispozitive. Monitorizarea temperaturii poate fi de ajutor în toate aceste cazuri, pentru a îmbunătăți siguranța, performanța și fiabilitatea.

Abordări convenționale ale termistorului PTC

Monitorizarea temperaturii este primul pas critic în protecția termică. Odată ce a fost identificată o stare de supratemperatură, pot fi luate măsuri de remediere. Termistoarele PTC sunt adesea utilizate pentru a monitoriza temperaturile pe o placă de circuite imprimate. Un termistor PTC înregistrează o creștere a rezistivității electrice pe măsură ce temperatura crește. Proiectele de termistoare PTC sunt optimizate pentru funcții specifice, cum ar fi protecția la supracurent, la scurtcircuit și monitorizarea temperaturii. Termistoarele PTC de monitorizare a temperaturii sunt fabricate folosind ceramică semiconductoare cu un coeficient de temperatură ridicat. Acestea au valori relativ scăzute ale rezistenței la temperatura camerei, dar rezistența lor crește rapid atunci când sunt încălzite peste temperatura Curie.

Termistoarele PTC pot fi utilizate individual pentru a monitoriza un anumit dispozitiv, cum ar fi un GPU, sau mai multe pot fi utilizate în serie pentru a monitoriza un grup mai mare de dispozitive, cum ar fi MOSFET-urile dintr-un POL. Există mai multe moduri de a implementa monitorizarea temperaturii folosind termistoare PTC. Două metode comune sunt utilizarea unui circuit integrat de senzor sau a unor tranzistoare discrete pentru a monitoriza rezistența termistoarelor PTC (Figura 1).

Figura 1: Două scheme comune de monitorizare a temperaturii cu termistoare PTC care implică circuite integrate de interfață pentru senzori (stânga) și soluții cu tranzistoare discrete (dreapta). (Sursa imaginii: Toshiba)

În ambele cazuri, există o singură conexiune la MCU gazdă pentru un lanț de termistoare PTC. Există mai multe compromisuri între aceste abordări:

• Numărul de componente: Soluția cu CI utilizează trei componente, în comparație cu cele șase dispozitive necesare în cazul abordării cu tranzistoare
• Zona de montare: Deoarece utilizează mai puține componente, soluția cu circuit integrat necesită o suprafață mai mică a plăcii de circuite imprimate
• Precizie: Ambele abordări sunt sensibile la modificările tensiunii de alimentare, dar abordarea cu tranzistoare este sensibilă și la modificările caracteristicilor tranzistoarelor pe măsură ce temperatura acestora crește. În general, abordarea CI poate oferi o precizie mai bună
• Cost: Abordarea cu tranzistoare utilizează dispozitive ieftine, ceea ce poate oferi un avantaj de cost în comparație cu abordarea cu circuite integrate

Circuite integrate pentru senzori și Thermoflagger

În locul termistoarelor PTC pot fi utilizate mai multe circuite integrate de detectare a temperaturii. Circuitele integrate de detectare a temperaturii măsoară temperatura matriței acestora pentru a estima temperatura plăcii de circuite imprimate. Cu cât rezistența termică dintre placa de circuite imprimate și circuitul integrat este mai mică, cu atât mai bună este estimarea temperaturii. Atunci când sunt montate corect pe placa de circuite imprimate, circuitele integrate de detectare a temperaturii pot furniza măsurători foarte precise. Doi factori limitativi ai utilizării circuitelor integrate de detectare a temperaturii sunt faptul că este necesară plasarea unui circuit integrat în fiecare punct în care trebuie măsurată temperatura și că fiecare circuit integrat are nevoie de o conexiune dedicată la MCU gazdă.

Thermoflagger de la Toshiba oferă o a patra opțiune. Cu Thermoflagger, circuitele de măsurare a temperaturii pot fi implementate cu o singură componentă suplimentară, în comparație cu utilizarea circuitelor integrate de măsurare a temperaturii. În loc să aibă mai multe conexiuni la MCU-ul gazdă, soluția Thermoflagger necesită o singură conexiune MCU, permițând utilizarea de termistoare PTC ieftine pentru monitorizarea simultană a mai multor locații (Figura 2).

Figura 2: Monitorizarea circuitelor integrate ale senzorilor de temperatură necesită, de obicei, un circuit integrat la fiecare sursă potențială de căldură și o conexiune la MCU pentru fiecare circuit integrat al senzorului (stânga); o soluție Thermoflagger plus mai multe termistoare PTC are o singură conexiune MCU (dreapta). (Sursa imaginii: Toshiba)

Alte motive pentru care Thermoflagger merită luat în considerare:

• Ocupă o suprafață mai mică a plăcii PCB în comparație cu alte soluții
• Nu este afectat de variațiile tensiunii de alimentare
• Poate fi utilizat pentru a implementa o monitorizare simplă și redundantă a temperaturii

Cum arată o soluție Thermoflagger?

Thermoflagger furnizează un mic curent constant la termistoarele PTC conectate și monitorizează rezistența acestora. Acesta poate monitoriza un termistor PTC individual sau un lanț de termistoare PTC. La o temperatură ridicată, în funcție de termistorul PTC specific care este monitorizat, rezistența unui termistor PTC crește rapid, iar Thermoflagger detectează creșterea rezistenței. Dispozitivele Thermoflagger cu curenți constanți diferiți, cum ar fi 1 sau 10 microamperi (µA), se potrivesc unei varietăți de termistoare PTC. Cu un consum de curent de 11,3 μA, Thermoflagger este proiectat pentru a permite monitorizarea cu consum redus de energie.

Temperatura de declanșare a detecției este determinată de termistorul PTC specific utilizat și poate fi modificată prin înlocuirea cu un alt termistor. Dacă apar condiții de supratemperatură, Thermoflagger detectează rezistența crescută a termistorului PTC și declanșează o modificare a ieșirii PTCGOOD pentru a alerta MCU (Figura 3).

Figura 3: Thermoflagger detectează creșterea rezistenței unui termistor PTC încălzit (jos), în comparație cu rezistențele scăzute asociate cu temperaturile normale de funcționare (sus). (Sursa imaginii: Toshiba)

Cum funcționează Thermoflagger

Thermoflagger este un circuit integrat analogic de precizie cu o ieșire optimizată pentru conectarea la un MCU gazdă. Următoarea descriere a funcționării sale se referă la numerele din Figura 4 de mai jos:

1. Curentul constant este furnizat de la terminalul PTCO și este convertit în tensiune folosind rezistența unuia sau mai multor termistoare PTC conectate. Sursa internă de curent constant este ceea ce face ca o soluție Thermoflagger să fie insensibilă la variațiile tensiunii de alimentare, un diferențiator semnificativ în comparație cu alte tehnici de monitorizare a temperaturii. Dacă un termistor PTC se încălzește și are o creștere substanțială a rezistenței, tensiunea PTCO crește până la tensiunea de alimentare (V_DD). De asemenea, tensiunea PTCO crește la V_DD dacă terminalul PTCO este deschis.
2. Dacă tensiunea PTCO depășește tensiunea de detecție, ieșirea comparatorului se inversează și trimite o ieșire „Low”. Precizia ieșirii PTCO este de ±8%.
3. Circuitele integrate Thermoflagger sunt disponibile cu două formate de ieșire: drenă deschisă și în contratimp. Ieșirile cu drenă deschisă necesită un rezistor de ridicare. Pentru ieșirile în contratimp nu este necesar niciun rezistor.
4. După inversarea ieșirii comparatorului, aceasta este blocată (presupunând că Thermoflagger include funcția opțională de blocare) pentru a preveni modificarea ieșirii din cauza unei scăderi a temperaturii termistorului PTC.
5. Blocarea este eliberată prin aplicarea unui semnal la pinul RESET.

Figura 4: O schemă bloc care prezintă funcțiile cheie ale dispozitivul Thermoflagger, un circuit integrat analogic de precizie cu o ieșire optimizată pentru conectarea la un MCU gazdă. (Sursa imaginii: Toshiba)

Considerente privind aplicațiile

Soluțiile Thermoflagger pot fi deosebit de utile pentru monitorizarea MOSFET-urilor sau LDO-urilor din circuitele de alimentare pentru circuite integrate de mari dimensiuni, cum ar fi sistemele pe cip (SoC) și pentru circuitele de acționare a motoarelor din sistemele industriale și de consum. Printre aplicațiile tipice se numără computerele portabile (Figura 5), aspiratoarele robot, electrocasnicele, imprimantele, uneltele manuale alimentate cu baterii, dispozitivele purtabile și alte dispozitive similare. Printre exemplele de circuite integrate Thermoflagger se numără:

1. TCTH021BE cu un curent de ieșire PTCO de 10 µA și o ieșire cu drenă deschisă fără blocare
2. TCTH022BE cu un curent de ieșire PTCO de 10 µA și o ieșire cu drenă deschisă cu blocare
3. TCTH021AE cu un curent de ieșire PTCO de 10 µA și o ieșire în contratimp cu blocare

Figura 5: Este prezentată o implementare tipică a sistemului Thermoflagger într-un computer portabil. (Sursa imaginii: Toshiba)

Ca toate circuitele integrate de precizie, Thermoflagger are considerente specifice de integrare a sistemului, inclusiv:

• Tensiunea aplicată la pinul PTCO nu trebuie să depășească 1 V
• Sistemul Thermoflagger trebuie să fie protejat de zgomotul sistemului pentru a asigura funcționarea fiabilă a comparatorului intern
• Circuitul integrat al Thermoflagger și termistoarele PTC trebuie să fie suficient de distanțate pentru a preveni transmiterea căldurii prin placa de circuite imprimate către circuitul integrat Thermoflagger
• Un condensator de decuplare plasat între V_DD și GND va ajuta la asigurarea unei funcționări stabile
• Toți pinii GND trebuie să fie conectați la masa sistemului

Redundanță simplă

Unele sisteme pot beneficia de o monitorizare redundantă a temperaturii. Acest lucru poate fi valabil mai ales în cazul în care se monitorizează un CI costisitor sau dacă este implicată o funcție critică. Simplitatea și dimensiunile reduse ale soluției Thermoflagger facilitează integrarea unui nivel suplimentar de monitorizare a temperaturii, rezultând într-un sistem robust și fiabil de monitorizare a temperaturii (Figura 6).

Figura 6: Thermoflagger poate adăuga un strat sau o redundanță (dreapta) la o soluție de bază de monitorizare a temperaturii bazată pe circuite integrate de monitorizare a temperaturii (stânga). (Sursa imaginii: Toshiba)

Concluzie

Pentru a asigura o performanță fiabilă a sistemului, proiectanții trebuie să monitorizeze excesul de căldură. Sunt disponibile mai multe opțiuni de monitorizare a căldurii, inclusiv circuite integrate de detectare a temperaturii și termistoare PTC. O opțiune mai nouă este Thermoflagger de la Toshiba, care oferă multe avantaje, inclusiv utilizarea mai multor termistoare PTC cu costuri reduse, o amprentă mai mică, un număr mai mic de componente, o singură conexiune la MCU, imunitate la fluctuațiile sursei de alimentare și opțiunea de a implementa o monitorizare simplă și redundantă a temperaturii.