Pontos, kis energiaigényű és kompakt hőmérséklet-felügyelet
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. Számos módszer létezik a hő érzékelésére, többek között használhatók hőmérséklet-érzékelő IC-k és pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PTC) termisztorok, de ezeknek az eszközöknek 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. A nagyfokú tervezési rugalmasság érdekében ezeknél az IC-knél különböző kimeneti áramok választhatók a különböző típusú PTC termisztorok támogatására, többféle interfészopciókkal kaphatók, továbbá rendelkezhetnek a mikrovezérlőkhöz való csatlakozásra, és a kimeneti jel állapotának tartására képes funkcióval is. Kompakt és alacsony fogyasztású megoldások létrehozását teszik lehetővé, mivel tokozásuk apró, 1,6 × 1,6 × 0,55 mm-es SOT- 553, áramfelvételük 11,3 μA.
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, majd 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, amelyeket tehát mindenféleképpen védeni kell, de a túlzott hőtermelés szempontjából nem csupán ezeket kell figyelni.
Ha egy elektromos ellenálláson áram folyik át, akkor 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 terhelésközeli (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, valamint veszélyezteti a rendszer működését és megbízhatóságát.
Hőt azonban nem csak a PoL-ek és az LDO-k termelnek, számos rendszerben figyelni kell a hőtermelést, és foglalkozni kell az elvezetésével, 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 elektrolitkondenzátorokat is tartalmazhatnak a tömeges energiatároláshoz, elektromágneses transzformátorokat a feszültségátalakításhoz és galvanikus leválasztáshoz, optoizolátorokat az elektromos elválasztáshoz, valamint lézerdiódákat.
Az elektrolitkondenzátorokban fellépő búgóáramok, a transzformátorok örvényáramai, az optoizolátorokban lévő LED-eken átfolyó áram 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
A 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 termisztorok tulajdonsága, hogy elektromos ellenállásuk növekszik a hőmérséklet emelkedésével. Kialakításuk szerint a PTC termisztorokat speciális funkciókra optimalizálják, például túláram- és rövidzárlat-védelemhez, 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-felügyelet 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, amelyeknél 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 alkalmazása számos kompromisszummal jár:
- Alkatrészek száma – az IC-s megoldás három alkatrészt tartalmaz, szemben a tranzisztoros megoldás hat alkatrészével.
- Szereléshez szükséges terület – a kevesebb alkatrészt tartalmazó 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 nyújthat.
- 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 megfelelően rászerelt hőmérséklet-érzékelő IC-k rendkívül pontos mérésekre képesek, használhatóságukat azonban korlátozza, hogy minden hőmérsékletmérési 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-inek 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, annak hőmérséklet-emelkedése esetén az elektromos ellenállása gyorsan megnő, amit a Thermoflagger érzékel. 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 a túllépésre 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 kapcsolódnak:
- 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 (VDD) nő. A PTCO feszültsége akkor is VDD-re emelkedik, ha a PTCO-láb áramköre nyitva van.
- Ha a PTCO feszültsége meghaladja az érzékelési feszültséget, a komparátor kimenete invertálódik és „alacsony” kimeneti jelet küld. A PTCO kimeneti pontossága ±8%.
- 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.
- Miután a komparátor kimenete invertálódott, a jelszint beáll és úgy marad (feltéve, ha a Thermoflagger rendelkezik az opcionális öntartásfunkcióval), annak megakadályozására, hogy a kimenet a PTC termisztor hőmérsékletének lecsökkenése esetén megváltozzon.
- Az öntartás feloldása a resetlábra 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:
- TCTH021BE – 10 µA PTCO kimeneti áram, nem öntartó, nyitott draines kimenet
- TCTH022BE – 10 µA PTCO kimeneti áram, öntartó, nyitott draines kimenet
- TCTH021AE – 10 µA PTCO kimeneti áram, nem öntartó, push-pull, kimenet
5. ábra A 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 voltot;
- 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 VDD 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 lehet 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 több megoldás létezik, beleértve a hőmérséklet-érzékelő IC-ket és a PTC termisztorokat, egy 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.
Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, DigiKey
DigiKey
www.digikey.hu
Angol/német nyelvű kapcsolat
Rolf Horn
Application Engineer
DigiKey Germany
Tel.: +49 89 2444 8 x 16817
E-mail:
