En ny metod för att implementera en noggrann, kompakt temperaturövervakning med låg strömförbrukning

Värme kan innebära utmaningar för konstruktörer av nästan alla elektroniska system, såsom bärbara produkter, vitvaror, medicinteknisk utrustning och industriell utrustning. Obemärkt värmeuppbyggnad kan vara särskilt besvärligt. För att undvika ett sådant problem finns det flera alternativ för att detektera värme, bland annat temperaturavkännande kretsar och PTC-termistorer (positiv temperaturkoefficient). Dessa har dock sina begränsningar. Respektive avkänningsalternativ använder flera komponenter, kräver en särskild anslutning till värdens microcontroller (MCU), upptar värdefullt utrymme på kretskortet, tar tid att utforma och har begränsad precision.

Med det sagt, har konstruktörerna ett nytt alternativ. Man har utvecklat kretsar för användning med flera PTC-termistorer som gör det möjligt för en enda krets att utföra exakt detektering av övertemperatur med en anslutning till värdens MCU. För att ge hög konstruktionsflexibilitet kan kretsarna välja utgångsström för att stödja olika PTC-termistorer. De finns med ett urval av MCU-gränssnitt och kan inkludera en låsningsfunktion. De levereras i en liten SOT-553-kapsling på 1,6 x 1,6 x 0,55 mm och har en strömförbrukning på 11,3 μA, vilket möjliggör kompakta lösningar med låg strömförbrukning.

Artikeln beskrivet värmekällorna i ett elektroniskt system och några lösningar för temperaturövervakning med PTC-termistorer i kombination med avkänningskretsar eller diskreta transistorer. Den jämför även dessa lösningar med kretsar för temperaturmätning. Artikeln introducerar och förklarar hur man använder kretsar från Toshiba som exempel på ett kostnadseffektivt värmeskydd med låg effektförbrukning.

Värmekällor

Den värme som genereras av elektroniska komponenter påverkar användarnas säkerhet och enhetens/systemets funktion negativt. Stora integrerade kretsar som centrala processorenheter (CPU), grafiska processorenheter (GPU), tillämpningsspecifika integrerade kretsar (ASIC), fältprogrammerbara grindmatriser (FPGA) och digitala signalprocessorer (DSP) kan producera avsevärda mängder värme. De behöver skyddas, men de är inte de enda enheter som måste övervakas för överdriven värme.

Ström som flödar genom ett resistivt element skapar värme, och när det gäller stora integrerade kretsar finns det tusentals eller miljontals mikrovärmekällor som tillsammans kan utgöra en stor utmaning för värmehanteringen. Samma kretsar behöver ofta en noggrann spänningsreglering i direkt anslutning till sina strömstift. Detta kan kräva DC-DC-omvandlare för flerfasbelastning (POL) eller linjära regulatorer med lågt spänningsfall (LDO). På-resistansen i effekt-MOSFET:arna i flerfasbelastningsomvandlarns och filtertransistorerna i regulatorerna kan leda till att enheterna överhettas, vilket minskar spänningsregleringens noggrannhet och försämrar systemets prestanda.

Det är inte bara DC-DC-omvandlare för flerfasbelastning och regulatorer med lågt spänningsfall som genererar värme. Värmen måste övervakas och hanteras i en rad olika system, inklusive AC-DC-nätaggregat, motordrivenheter, reservkraftsaggregat, växelriktare för solenergi, drivlinor för elfordon, förstärkare för radiofrekvenser (RF) samt system för ljusdetektering och avståndsmätning (LiDAR). Systemen kan innehålla elektrolytkondensatorer för mängdlagring av energi, elektromagnetiska transformatorer för spänningsomvandling och isolering samt optoisolatorer för elektrisk isolering och laserdioder.

Rippelströmmar i elektrolytkondensatorer, virvelströmmar i transformatorer, strömflöde i optoisolatorers lysdioder samt laserdioder i LiDAR är några av de potentiella värmekällorna i dessa enheter. Temperaturövervakning kan i alla dessa fall bidra till en förbättrad säkerhet, prestanda och tillförlitlighet.

Konventionella metoder för PTC-termistorer

Temperaturövervakning är det kritiska första steget i termiskt skydd. När ett övertemperaturtillstånd har identifierats kan avhjälpande åtgärder vidtas. PTC-termistorer används ofta för att övervaka temperaturen på ett kretskort. Den elektriska resistiviteten i en PTC-termistor ökar när temperaturen stiger. PTC-termistorer är optimerade för specifika funktioner som överströms- och kortslutningsskydd samt temperaturövervakning. PTC-termistorer för temperaturövervakning tillverkas av keramiska halvledarämnen med hög temperaturkoefficient. De har relativt låga resistansvärden vid rumstemperatur, men resistansen ökar snabbt när de värms upp över sin Curie-temperatur.

PTC-termistorer kan användas individuellt för att övervaka en specifik enhet, som en GPU, eller så kan flera användas i serie för att övervaka en större grupp av enheter, som MOSFET:arna i en DC-DC-omvandlare för flerfasbelastning. Det finns flera sätt att implementera temperaturövervakning med PTC-termistorer. Två vanliga metoder är att använda en sensorkrets eller diskreta transistorer för att övervaka resistansen i PTC-termistorerna (Figur 1).

Figur 1: Två vanliga temperaturövervakningssystem med PTC-termistorer omfattar kretsgränssnitt för sensorer (vänster) och lösningar med diskreta transistorer (höger). (Bildkälla: Toshiba)

I båda fallen finns det en enda anslutning till värdens MCU för en en seriekopplad kedja av PTC-termistorer. Det finns flera kompromisser mellan dessa metoder:

• Antal komponenter: kretslösningen använder tre komponenter, jämfört med de sex enheter som krävs för transistormetoden
• Monteringsyta: Eftersom kretslösningen använder färre komponenter kräver den mindre yta på kretskortet
• Noggrannhet: Båda metoderna är känsliga för förändringar i matningsspänningen, men transistormetoden är även känslig för förändringar i transistorernas egenskaper när temperaturen stiger. Sammantaget kan kretsmetoden ge bättre noggrannhet
• Kostnad: Transistormetoden använder billiga enheter, vilket kan ge en kostnadsfördel jämfört med kretsmetoden

Sensorkretsar och Thermoflagger

Flera temperaturavkänningskretsar kan användas istället för PTC-termistorer. Temperaturavkänningskretsar mäter sin egen kretstemperatur för att uppskatta kretskortets temperatur. Ju lägre värmeresistans mellan kretskortet och kretsen, desto bättre temperaturberäkning. När de är korrekt monterade på kretskortet kan temperaturavkänningskretsar ge mycket noggranna mätningar. Två begränsande faktorer vid användning av temperaturavkänningskretsar är att det är nödvändigt att placera en krets vid varje punkt där temperaturen behöver mätas, och varje krets behöver en dedikerad anslutning till värdens MCU.

Thermoflagger från Toshiba är ett fjärde alternativ. Med Thermoflagger kan temperaturmätningskretsar implementeras med endast en extra komponent, jämfört med användning av temperaturmätningskretsar. Istället för att ha flera anslutningar till värdens MCU behöver lösningen med Thermoflagger endast en enda anslutning till MCU:n, vilket gör det möjligt att använda billiga PTC-termistorer för samtidig övervakning av flera platser (figur 2).

Figur 2: Övervakning av temperatursensorns krets kräver vanligtvis en krets vid respektive potentiell värmekälla och en anslutning till MCU:n för respektive sensorkrets (vänster); en lösning med Thermoflagger plus flera PTC-termistorer har en enda anslutning till MCU:n (höger). (Bildkälla: Toshiba)

Fler anledningar att överväga Thermoflagger inkluderar:

• Den tar upp mindre yta på kretskortet jämfört med andra lösningar
• Den påverkas inte av variationer i nätspänningen.
• Den kan användas för att implementera en enkel redundant temperaturövervakning

Hur ser en lösning med Thermoflagger ut?

Thermoflagger matar de anslutna PTC-termistorerna med en liten konstant ström, och övervakar deras resistans. Den kan övervaka en enskild PTC-termistor eller en kedja av PTC-termistorer. Vid förhöjd temperatur, beroende på vilken specifik PTC-termistor som övervakas, stiger resistansen hos en PTC-termistor snabbt och Thermoflagger detekterar resistansökningen. Thermoflaggers med olika konstantströmmar, t.ex. 1 eller 10 µA, passar för en mängd olika PTC-termistorer. Med en strömförbrukning på 11,3 μA är Thermoflagger utformad för att möjliggöra övervakning med låg strömförbrukning.

Detekteringens utlösningstemperatur bestäms av den specifika PTC-termistor som används och kan ändras genom att byta ut denna mot en annan typ. Om en övertemperatur uppstår känner Thermoflagger av den ökade resistansen i PTC-termistorn och utlöser en förändring på PTCGOOD-utgången för att varna MCU:n (figur 3).

Figur 3: Thermoflagger känner av resistansökningen hos en uppvärmd PTC-termistor (nederst), jämfört med de låga resistanser som förknippas med normala drifttemperaturer (överst). (Bildkälla: Toshiba)

Så här fungerar Thermoflagger

Thermoflagger är en analog precisionskrets med en utgång som är optimerad för anslutning till en värd-MCU. Följande beskrivning av funktionen hänvisar till siffrorna i figur 4 nedan:

1. Konstant ström matas från PTCO-anslutningen och omvandlas till spänning med hjälp av resistansen hos en eller flera anslutna PTC-termistorer. Det är den inbyggda konstanta strömkällan som gör en lösning med Thermoflagger okänslig för variationer i matningsspänningen, vilket är en viktig skillnad jämfört med andra tekniker för temperaturövervakning. Om en PTC-termistor värms upp och får en kraftig ökning av resistansen, ökar PTCO-spänningen till matningsspänningen (V_DD). Spänningen PTCO stiger också till V_DD om anslutningen för PTCO är öppen.
2. Om spänningen PTCO överstiger detekteringsspänningen inverteras komparatorns utgång och skickar en "Låg" utgång. PTCO-utgångens noggrannhet är ±8 %.
3. Kretsen Thermoflagger finns med två utgångsformat: open-drain och push-pull. Utgångar med open-drain kräver en pull-up-resistor. Utgångar med push-pull behöver ingen resistor.
4. När komparatorns utgång har inverterats låses den (förutsatt att Thermoflagger har den tillvalsfunktionen för låsning) för att förhindra att utgången ändras på grund av en temperatursänkning i PTC-termistorn.
5. Spärren frigörs genom att en signal skickas till stiftet RESET.

Figur 4: Ett blockdiagram som visar de viktigaste funktionerna i Thermoflagger, en analog noggrann krets med en utgång som är optimerad för anslutning till en värds MCU. (Bildkälla: Toshiba)

Överväganden vid tillämpning

Lösningar med Thermoflagger kan vara särskilt användbara för övervakning av MOSFET:ar eller LDO:er i strömförsörjningskretsar för stora kretsar som t.ex. systemkretsar (SoC) och motordrivna kretsar i industri- och konsumentsystem. Typiska tillämpningar är bärbara datorer (bild 5), robotdammsugare, vitvaror, skrivare, batteridrivna handverktyg, bärbart och liknande enheter. Exempel på kretsar med Thermoflagger inkluderar:

1. TCTH021BE med en PTCO-utgångsström på 10 µA och en icke-låsande utgång med open-drain
2. TCTH022BE med en PTCO-utgångsström på 10 µA och en låsande utgång med open-drain
3. TCTH021AE med en PTCO-utgångsström på 10 µA och en låsande utgång med push-pull

Figur 5: Bilden visar en typisk implementering av Thermoflagger i en bärbar dator. (Bildkälla: Toshiba)

Precis som alla noggranna kretsar har Thermoflagger specifika krav på systemintegration, bland annat

• Spänningen som appliceras på stiftet PTCO får inte överstiga 1 V
• Thermoflagger måste skyddas mot systemstörningar för att garantera en tillförlitlig drift av den interna komparatorn
• Thermoflagger-kretsen och PTC-termistorerna bör placeras tillräckligt långt ifrån varandra för att förhindra att värme överförs från kretskortet till Thermoflagger-kretsen
• En avkopplingskondensator mellan V_DD och jord gär det lättare att garantera en stabil drift
• Alla jordstift måste vara anslutna till systemjorden

Enkel redundans

Vissa system kan dra nytta av redundant temperaturövervakning. Detta kan vara särskilt viktigt om en dyr krets övervakas eller om en viktig funktion är inblandad. Enkelheten och den lilla storleken på Thermoflagger gör det lätt att integrera ytterligare ett lager av temperaturövervakning, vilket resulterar i ett robust och tillförlitligt temperaturövervakningssystem (figur 6).

Figur 6: Thermoflagger kan lägga till ett lager eller redundans (höger) i en grundläggande temperaturövervakningslösning baserad på temperaturövervakningskretsar (vänster). (Bildkälla: Toshiba)

Sammanfattning

För att garantera tillförlitlig systemprestanda måste konstruktörer övervaka överflödig värme. Det finns flera alternativ för värmeövervakning, inklusive temperaturavkänningskretsar och PTC-termistorer. Ett nyare alternativ är Thermoflagger från Toshiba, som har många fördelar, bland annat användningen av flera billiga PTC-termistorer, ett mindre format, färre komponenter, en enda anslutning till MCU:n, immunitet mot variationer i strömförsörjningen och möjlighet att implementera en enkel redundant temperaturövervakning.