Оглавление:
Выделение тепла в электронных устройствах всегда было проблемой для разработчиков практически каждой схемы, как в промышленном оборудовании высокой мощности, так и в носимой электронике. Контроль температуры во многих силовых приборах является обязательным, и для этого у проектировщика есть несколько опций, таких как специальные встроенные датчики и термисторы NTC или PTC. Вот только все эти датчики имеют ограничения: они требуют использования хотя бы нескольких дополнительных компонентов, подключаются к микроконтроллеру отдельной линией, занимают место на плате и имеют ограниченную точность.
Теперь же появились специальные интегральные микросхемы, которые работают с несколькими PTC-термисторами одновременно, что позволяет одному контроллеру, используя всего 1 линию, отслеживать температуру во многих местах платы. Доступный ассортимент этих микросхем включает версии с различной токовой нагрузкой, что позволяет им работать с различными сопротивлениями PTC и типами интерфейсов с микроконтроллером. Есть также версии с функцией защелки. Эти чипы изготавливаются в небольших корпусах СОТ-553 размерами 1,6 х 1,6 х 0,55 мм, потребляют мизерный ток 11 мкА, поэтому не влияют на энергопотребление.
Источники тепла в радиосхемах
Тепло, выделяемое электронными компонентами, плохо влияет на безопасность пользователя и работу устройства. Большие интегральные микросхемы, такие как микропроцессоры (ЦП), графические процессоры (ГП), ASIC, FPGA и DSP, могут выделять много тепла. Им нужна система управления температурой, которая также включает в себя мониторинг перегрева.
В сложных схемах присутствуют тысячи микроисточников тепла, что может создать серьезную проблему управления температурным режимом. Для контроля чрезмерного нагрева часто используются стабилизаторы напряжения питания в виде многофазных преобразователей постоянного тока PoL или линейных LDO-стабилизаторов. Но преобразование мощности с их использованием не происходит без потерь. Сопротивление силового МОП-транзистора в открытом состоянии и высокое падение напряжения на LDO вызывают дополнительный нагрев окружающих компонентов, что еще больше снижает производительность.
Конечно, не только преобразователи POL и стабилизаторы LDO производят тепло, поэтому его необходимо контролировать и управлять одновременно в нескольких подсистемах, включая источники питания переменного и постоянного тока, приводы двигателей, системы бесперебойного питания, солнечные инверторы, приводы электромобилей.
К потенциальным источникам тепла в современных устройствах также относятся пульсирующие токи в электролитических конденсаторах, вихревые токи в трансформаторах и токи, протекающие через мощные светодиоды. Во всех этих случаях мониторинг температуры может помочь повысить безопасность, производительность и надежность.
Мониторинг температуры является ключевым вопросом в тепловой защите, поскольку при обнаружении повышения можно сразу принять меры. Для этой цели часто используют PTC-термисторы, сопротивление которых увеличивается с ростом температуры. Есть много типов этих элементов с параметрами, оптимизированными для конкретных функций, таких как защита от перегрузки по току, защита от короткого замыкания и контроль температуры. Термисторы изготовлены из керамики с высоким температурным коэффициентом. Они имеют относительно низкие значения сопротивления при комнатной температуре, но их сопротивление быстро возрастает при нагревании.
Термисторы можно применять индивидуально и, следовательно, использовать для контроля конкретного компонента, например процессора. Также можно соединить их последовательно для мониторинга группы объектов, например, MOSFET-транзисторов в преобразователе. Две популярные схемы применения предполагают использование микросхемы компаратора или дискретных элементов. Обе версии используют только одну линию связи с главным MCU, что приводит к нескольким компромиссам:
- сложность – встроенная версия использует три компонента по сравнению с шестью устройствами, необходимыми для дискретного подхода,
- пространство – интегрированное решение требует меньшей площади печатной платы,
- точность – обе версии чувствительны к изменениям напряжения питания, а транзисторное решение также чувствительно к значению температуры окружающей среды,
- стоимость – решение с использованием дискретных транзисторов может оказаться дешевле, чем использование встроенного компаратора.
Встроенные датчики Thermoflagger
Вместо термисторов PTC можно использовать несколько встроенных датчиков температуры. Фактически они измеряют собственную структуру кремния, поэтому чем ниже тепловое сопротивление между печатной платой и чипом, тем выше точность. Тем не менее, такие датчики обеспечивают точные измерения, и единственными проблемами связанными с их применением являются необходимость размещения схемы в каждом месте, где нужно контролировать тепловыделение, а каждая такая система требует отдельного подключения к MCU.
Отличный вариант обеспечивает датчик под названием Thermoflagger от Toshiba. Благодаря этому схемы измерения температуры могут быть реализованы всего с одним дополнительным компонентом, а вместо подключения множества датчиков к MCU по группе линий, термофлагеру требуется всего лишь одно соединение. Таким образом, дешевые термисторы PTC можно использовать для одновременного контроля нескольких точек.
А ещё использование монитора Thermoflagger занимает меньшую площадь поверхности печатной платы по сравнению с другими решениями, он нечувствителен к колебаниям напряжения питания, его можно использовать для реализации простой резервной системы мониторинга температуры.
Как работает Термофлаггер
Thermoflagger подает небольшой постоянный ток на подключенные PTC-термисторы и контролирует их сопротивление. Он может работать с одним термистором PTC или с последовательной цепью. При повышенных температурах сопротивление быстро возрастает, и Thermoflagger обнаруживает это. Доступны различные версии тока, например 1 или 10 мкА, но сам датчик потребляет всего 11 мкА. Пороговая температура обнаружения определяется параметрами используемого термистора. Обнаружение повышенной температуры вызывает изменение выходного сигнала PTCGOOD.
Термофлагер – это точный аналоговый встроенный датчик с выходом, оптимизированным для подключения к микроконтроллеру. С контакта PTCO он подает напряжение, протекающее через один или несколько последовательно соединенных PTC. Источник тока обеспечивает нечувствительность к изменениям напряжения питания, что является существенным отличием от других методов контроля температуры. Если термистор нагреется и его сопротивление значительно увеличится, напряжение PTCO увеличится до значения, близкого к напряжению питания (VDD). Если напряжение PTCO превышает порог обнаружения — выход компаратора переходит в низкий уровень.
Термофлаггеры выпускаются в двух вариантах: с выходом «открытый сток» и двухтактный. Первые требуют использования подтягивающего резистора. При активации выход компаратора блокируется (версия с фиксацией), чтобы предотвратить изменение выходного сигнала из-за падения температуры термистора PTC. Фиксатор сбрасывается при подаче сигнала сброса.
Советы по применению
Эти системы могут быть особенно полезны для контроля условий работы MOSFET-транзисторов или LDO-стабилизаторов, расширенных источников питания SoC-блоков, управления цепями в моторных приводах и других. К типичным применениям также относятся портативные устройства, бытовая техника, принтеры, ручные электроинструменты, и подобное оборудование.
Доступные версии этих чипов включают:
- TCTH021BE с током PTCO 10 мкА и выходом с открытым стоком без защелки,
- TCTH022BE с PTCO 10 мкА и выходом с открытым стоком с фиксацией,
- TCTH021AE с PTCO 10 мкА и выходом с двухтактной фиксацией.
При этом напряжение на выводе PTCO не должно превышать 1 В, Термофлаггер должен быть защищен от помех, чип и термисторы PTC должны быть расположены на достаточном расстоянии друг от друга, чтобы предотвратить передачу тепла от печатной платы к чипу, для обеспечения стабильной работы необходим развязывающий конденсатор, помещенный между VDD и GND, все контакты GND должны быть подключены к земле устройства.
Когда требования к надежности особенно высоки, можно рассмотреть возможность дублирования схемы контроля температуры. Если контролируется дорогостоящая микросхема или функция имеет решающее значение для работы прибора, простота и небольшой размер термофлаггера позволяют легко интегрировать дополнительный уровень мониторинга температуры.
Подведем итог
Чтобы обеспечить надежную работу электроники, проектировщики должны контролировать температуру в ключевых областях схем. Это можно сделать разными способами, в том числе: с использованием встроенных датчиков температуры и термисторов. Но более современным вариантом является чип Thermoflagger, который предлагает множество преимуществ, в том числе позволяет использовать недорогие PTC-термисторы с последовательным подключением, обеспечивает меньшую площадь печатной платы, меньшее количество компонентов, всего одну линию для связи с микроконтроллером и высокую устойчивость к питанию.
