Een nieuwe benadering voor het implementeren van nauwkeurige, energiezuinige en compacte temperatuurbewaking

Hitte kan een uitdaging vormen voor ontwerpers van bijna elk elektronisch systeem, zoals wearables, witgoed, medische apparatuur en industriële apparatuur. Onopgemerkte warmtestuwing kan bijzonder lastig zijn. Om een dergelijk probleem te vermijden, zijn er verschillende opties beschikbaar om warmte te detecteren, waaronder temperatuurvoerende IC's en thermistors met een positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC). Deze hebben echter hun beperkingen. Elke detectieoptie gebruikt meerdere componenten, vereist een speciale verbinding met de host microcontroller unit (MCU), neemt kostbare ruimte in op de printplaat, kost tijd om te ontwerpen en heeft een beperkte precisie.

Dat gezegd hebbende, ontwerpers hebben een nieuwe optie. Er zijn IC's ontwikkeld voor gebruik met meerdere PTC-temperatuurvoelers waarmee één IC nauwkeurige detectie van overtemperatuur kan uitvoeren met één aansluiting op de host-MCU. Om een hoge mate van ontwerpflexibiliteit te bieden, selecteren deze IC's uitgangsstromen om verschillende PTC-thermistoren te ondersteunen. Ze zijn verkrijgbaar met verschillende MCU-interfaces en kunnen een vergrendelfunctie hebben. Ze worden geleverd in een piepkleine 1,6 x 1,6 x 0,55 millimeter (mm) SOT-553-behuizing en hebben een stroomverbruik van 11,3 microampère (μA), waardoor compacte en energiezuinige oplossingen mogelijk zijn.

Dit artikel bespreekt de warmtebronnen in een elektronisch systeem en onderzoekt enkele oplossingen voor temperatuurbewaking met behulp van PTC-temperatuurvoelers in combinatie met IC's voor detectie of discrete transistors. Het vergelijkt deze oplossingen ook met temperatuurmeet IC's. Het artikel introduceert en legt uit hoe IC's van Toshiba kunnen worden toegepast die een voorbeeld zijn van energiezuinige, kosteneffectieve thermische bescherming.

Warmtebronnen

De warmte die wordt gegenereerd door elektronische componenten heeft een negatieve invloed op de veiligheid van de gebruiker en de werking van het apparaat of systeem. Grote IC's zoals centrale verwerkingseenheden (CPU's), grafische verwerkingseenheden (GPU's), toepassingsspecifieke IC's (ASIC's), veldprogrammeerbare gate arrays (FPGA's) en digitale signaalprocessoren (DSP's) kunnen aanzienlijke hoeveelheden warmte produceren. Ze moeten worden beschermd, maar het zijn niet de enige apparaten die moeten worden gecontroleerd op overmatige hitte.

Stroom die door een weerstand loopt, veroorzaakt warmte en in het geval van grote IC's zijn er duizenden of miljoenen micro-warmtebronnen die samen een grote uitdaging vormen op het gebied van thermisch beheer. Diezelfde IC's hebben vaak een nauwkeurige spanningsregeling direct naast hun voedingspennen nodig. Hiervoor kunnen DC-DC-convertors met een meerfasig belastingspunt (POL) of lineaire regelaars met lage uitval (LDO) nodig zijn. De inschakelweerstanden van de vermogens-MOSFET's in POL's en de doorgangstransistors in LDO's kunnen ervoor zorgen dat de apparaten oververhit raken, waardoor de spanningsregelnauwkeurigheid afneemt en de systeemprestaties in gevaar komen.

Niet alleen POL's en LDO's genereren warmte. Warmte moet worden bewaakt en beheerd in een reeks systemen, waaronder AC-DC-voedingen, motoraandrijvingen, onderbrekingsvrije voedingssystemen, inverters voor zonne-energie, aandrijflijnen voor elektrische voertuigen (EV), versterkers voor radiofrequentie (RF) en LiDAR-systemen (Light Detection and ranging). Deze systemen kunnen elektrolytische condensators bevatten voor energieopslag in bulk, elektromagnetische transformatoren voor spanningstransformatie en isolatie, optoisolators voor elektrische isolatie en laserdiodes.

Rimpelingsstromen in elektrolytische condensators, wervelstromen in transformators, stroom in de LED in optoisolators en laserdiodes in LiDAR behoren tot de potentiële warmtebronnen in deze apparaten. Temperatuurbewaking kan in al deze gevallen helpen om de veiligheid, prestaties en betrouwbaarheid te verbeteren.

Conventionele PTC-thermistorbenaderingen

Het controleren van de temperatuur is de kritieke eerste stap in thermische bescherming. Zodra een overtemperatuurconditie is geïdentificeerd, kunnen corrigerende maatregelen worden genomen. PTC-thermistors worden vaak gebruikt om de temperatuur op een printplaat te controleren. Bij een PTC-thermistor neemt de elektrische weerstand toe naarmate de temperatuur stijgt. PTC-thermistorontwerpen zijn geoptimaliseerd voor specifieke functies zoals overstroom- en kortsluitbeveiliging en temperatuurbewaking. PTC-temperatuurvoelers voor temperatuurbewaking worden gemaakt van halfgeleiderkeramiek met een hoge temperatuurcoëfficiënt. Ze hebben relatief lage weerstandswaarden bij kamertemperatuur, maar hun weerstand stijgt snel wanneer ze worden verwarmd tot boven hun curietemperatuur.

PTC-thermistors kunnen afzonderlijk worden gebruikt om een specifiek apparaat te bewaken, zoals een GPU, of meerdere kunnen in serie worden gebruikt om een grotere groep apparaten te bewaken, zoals de MOSFET's in een POL. Er zijn verschillende manieren om temperatuurbewaking te implementeren met PTC-temperatuurvoelers. Twee veelgebruikte methoden zijn het gebruik van een sensor-IC of discrete transistors om de weerstand van de PTC-thermistors te controleren (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Twee veelgebruikte temperatuurbewakingsschema's met PTC-temperatuurvoelers omvatten sensorinterface-IC's (links) en discrete transistoroplossingen (rechts). (Bron afbeelding: Toshiba)

In beide gevallen is er een enkele aansluiting op de host-MCU voor een keten van PTC-temperatuurvoelers. Er zijn verschillende compromissen tussen deze benaderingen:

• Aantal componenten: De IC-oplossing gebruikt drie componenten, vergeleken met de zes die nodig zijn bij de transistorbenadering.
• Montageoppervlak: Omdat er minder componenten worden gebruikt, heeft de IC-oplossing minder printplaatoppervlak nodig.
• Precisie: Beide benaderingen zijn gevoelig voor veranderingen in de voedingsspanning, maar de transistorbenadering is ook gevoelig voor veranderingen in de transistorkarakteristieken naarmate de temperatuur stijgt. Over het geheel genomen kan de IC-benadering een betere nauwkeurigheid bieden
• Kosten: De transistorbenadering maakt gebruik van goedkope apparaten, wat een kostenvoordeel kan opleveren ten opzichte van de IC-benadering.

Sensor IC's en Thermoflagger

In plaats van PTC-temperatuurvoelers kunnen meerdere temperatuurvoelers worden gebruikt. Temperatuurgevoelige IC's meten de temperatuur van hun matrijs om de temperatuur van de printplaat in te schatten. Hoe lager de thermische weerstand tussen de printplaat en het IC, hoe beter de temperatuur kan worden ingeschat. Als ze correct op de printplaat zijn gemonteerd, kunnen temperatuurvoerende IC's zeer nauwkeurige metingen leveren. Twee beperkende factoren van het gebruik van temperatuurvoerende IC's zijn dat het nodig is om een IC te plaatsen op elk punt waar de temperatuur gemeten moet worden, en dat elk IC een speciale verbinding met de host-MCU nodig heeft.

Thermoflagger van Toshiba biedt een vierde optie. Met Thermoflagger kunnen temperatuurmeetschakelingen worden geïmplementeerd met slechts één extra component, vergeleken met het gebruik van temperatuurmeet-IC's. In plaats van meerdere aansluitingen op de host-MCU heeft de Thermoflagger-oplossing slechts één MCU-aansluiting nodig, waardoor goedkope PTC-thermistors kunnen worden gebruikt voor gelijktijdige bewaking van meerdere locaties (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Temperatuursensor-IC-bewaking vereist normaal gesproken een IC bij elke potentiële warmtebron en een aansluiting op de MCU voor elke sensor-IC (links); een Thermoflagger plus meerdere PTC-thermistors oplossing heeft een enkele MCU-aansluiting (rechts). (Bron afbeelding: Toshiba)

Er zijn nog meer redenen om Thermoflagger te overwegen:

• Het neemt minder printplaatoppervlak in dan andere oplossingen
• Het wordt niet beïnvloed door variaties in de voedingsspanning.
• Het kan worden gebruikt om eenvoudige redundante temperatuurbewaking te implementeren.

Hoe ziet een Thermoflagger-oplossing eruit?

Thermoflagger levert een kleine constante stroom aan de aangesloten PTC-thermistors en controleert hun weerstand. Hij kan een afzonderlijke PTC-thermistor of een keten van PTC-thermistors bewaken. Bij een verhoogde temperatuur, afhankelijk van de specifieke PTC-thermistor die wordt bewaakt, stijgt de weerstand van een PTC-thermistor snel en de Thermoflagger detecteert de toename in weerstand. Thermoflaggers met verschillende constante stromen, zoals 1 of 10 microampère (µA), zijn geschikt voor verschillende PTC-thermistoren. Met een stroomverbruik van 11,3 μA is Thermoflagger ontworpen voor bewaking met een laag stroomverbruik.

De detectietriggertemperatuur wordt bepaald door de specifieke PTC-thermistor die wordt gebruikt en kan worden gewijzigd door een andere te vervangen. Als er een te hoge temperatuur optreedt, detecteert de Thermoflagger de verhoogde weerstand in de PTC-thermistor en activeert een verandering in de PTCGOOD-uitgang om de MCU te waarschuwen (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Thermoflagger detecteert de toename in weerstand van een verwarmde PTC-thermistor (onder), vergeleken met de lage weerstanden die horen bij normale bedrijfstemperaturen (boven). (Bron afbeelding: Toshiba)

Hoe Thermoflagger werkt

Thermoflagger is een analoog precisie-IC met een uitgang die geoptimaliseerd is voor aansluiting op een host-MCU. De volgende beschrijving van de werking verwijst naar de nummers in Afbeelding 4 hieronder:

1. Constante stroom wordt geleverd vanaf de PTCO-aansluiting en omgezet in spanning met behulp van de weerstand van een of meer aangesloten PTC-temperatuurvoelers. Het is de interne constante stroombron die een Thermoflagger-oplossing ongevoelig maakt voor variaties in de voedingsspanning, een belangrijk verschil met andere temperatuurbewakingstechnieken. Als een PTC-thermistor wordt verwarmd en zijn weerstand aanzienlijk toeneemt, stijgt de PTCO-spanning tot de voedingsspanning (V_DD). De PTCO-spanning stijgt ook naar V_DD als de PTCO-aansluiting open is.
2. Als de PTCO-spanning de detectiespanning overschrijdt, wordt de uitgang van de comparator omgekeerd en wordt er een 'Laag'-uitgang verzonden. De PTCO uitgangsnauwkeurigheid is ±8%.
3. Thermoflagger IC's zijn verkrijgbaar met twee uitgangsformaten: open-drain en push-pull. Open-drain-uitgangen vereisen een pull-up weerstand. Voor push-pull-uitgangen is geen weerstand nodig.
4. Nadat de uitgang van de comparator is geïnverteerd, wordt deze vergrendeld (aangenomen dat de Thermoflagger de optionele vergrendelingsfunctie heeft) om te voorkomen dat de uitgang verandert als gevolg van een temperatuurdaling van de PTC-temperatuurvoeler.
5. De vergrendeling wordt vrijgegeven door een signaal op de RESET-pin te zetten.

Afbeelding 4: Een blokschema met de belangrijkste functies van Thermoflagger, een analoge IC met precisie-uitgang die geoptimaliseerd is voor aansluiting op een host MCU. (Bron afbeelding: Toshiba)

Overwegingen bij de toepassing

Thermoflagger-oplossingen kunnen vooral nuttig zijn voor het bewaken van MOSFET's of LDO's in voedingscircuits voor grote IC's zoals systemen-op-chip (SoC's) en voor motoraandrijvingscircuits in industriële en consumentensystemen. Typische toepassingen zijn notebookcomputers (Afbeelding 5), robotstofzuigers, witgoed, printers, handgereedschap op batterijen, wearables en soortgelijke apparaten. Voorbeelden van Thermoflagger-IC's zijn onder andere:

1. TCTH021BE met een PTCO-uitgangsstroom van 10 µA en een open-drain-uitgang die niet vergrendelt
2. TCTH022BE met een PTCO-uitgangsstroom van 10 µA en een open-drain-uitgang die vergrendelt
3. TCTH021AE met een PTCO-uitgangsstroom van 10 µA en een vergrendelende push-pull-uitgang

Afbeelding 5: Hier zie je een typische Thermoflagger-implementatie in een notebookcomputer. (Bron afbeelding: Toshiba)

Net als alle precisie-IC's heeft de Thermoflagger specifieke overwegingen voor systeemintegratie, waaronder:

• De spanning op de PTCO-pin mag niet hoger zijn dan 1 V
• De Thermoflagger moet worden beschermd tegen systeemruis om een betrouwbare werking van de interne comparator te garanderen.
• Het Thermoflagger-IC en de PTC-thermistors moeten ver genoeg uit elkaar worden geplaatst om te voorkomen dat warmte via de printplaat wordt doorgegeven aan het Thermoflagger-IC.
• Een ontkoppelingscondensator tussen V_DD en GND zorgt voor een stabiele werking.
• Alle GND-pinnen moeten worden verbonden met de systeemaarde.

Eenvoudige redundantie

Sommige systemen kunnen baat hebben bij redundante temperatuurbewaking. Dit kan vooral het geval zijn als er een dure IC wordt bewaakt of als er een kritieke functie bij betrokken is. De eenvoud en de kleine omvang van de oplossing van de Thermoflagger maken het eenvoudig om een extra laag temperatuurbewaking te integreren, wat resulteert in een robuust en betrouwbaar temperatuurbewakingssysteem (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Thermoflagger kan een laag of redundantie (rechts) toevoegen aan een basisoplossing voor temperatuurbewaking op basis van temperatuurbewakings-IC's (links). (Bron afbeelding: Toshiba)

Conclusie

Om betrouwbare systeemprestaties te garanderen, moeten ontwerpers overtollige warmte bewaken. Er zijn verschillende opties voor warmtebewaking beschikbaar, waaronder temperatuurvoerende IC's en PTC-temperatuurvoelers. Een nieuwere optie is de Thermoflagger van Toshiba, die veel voordelen biedt, waaronder het gebruik van meerdere goedkope PTC-thermistoren, een kleinere voetafdruk, minder onderdelen, een enkele aansluiting op de MCU, ongevoeligheid voor schommelingen in de voeding en de optie om eenvoudige redundante temperatuurbewaking te implementeren.