Uudenlainen lähestymistapa tarkan, vähävirtaisen ja kompaktin lämpötilanvalvonnan toteutukseen

Lämpö voi aiheuttaa haasteita lähes kaikenlaisten elektroniikkajärjestelmien, kuten puettavien laitteiden, kodinkoneiden, lääkinnällisten laitteiden ja teollisuuslaitteiden suunnittelijoille. Huomaamaton lämmönmuodostus voi olla erityisen ongelmallista. Jotta tällainen ongelma voitaisiin välttää, saatavilla on useita vaihtoehtoja lämmön tunnistukseen, kuten lämpötilamittaukseen tarkoitetut mikropiirit ja positiivisen lämpötilakertoimen PTC-termistorit. Niillä on kuitenkin rajoituksensa. Kukin mittausvaihtoehto käyttää useita komponentteja, vaatii dedikoidun liitännän isäntämikrokontrolleriin (MCU), vie arvokasta piirilevytilaa ja suunnitteluaikaa sekä on tarkkuudeltaan rajallinen.

Suunnittelijoilla on kuitenkin nyt tarjolla uusi vaihtoehto. Mikropiirejä on kehitetty käytettäväksi useiden PTC-termistoreiden kanssa, Näin yksi ainut mikropiiri voi suorittaa tarkan ylilämpötilan tunnistuksen yhdellä liitännällä isäntämikrokontrolleriin. Suunnittelusta tekee joustavampaa se, että nämä mikropiirit pystyvät valitsemaan lähtövirran eri PTC-termistorien vaatimusten mukaisesti. Niitä on saatavana erilaisilla mikrokontrolleriliitännöillä, ja ne voivat sisältää myös salpatoiminnon. Ne käyttävät pientä 1,6 x 1,6 x 0,55 millimetrin (mm) kokoista SOT-553-koteloa, ja niiden virrankulutus on 11,3 mikroampeeria (μA), mikä mahdollistaa kompaktit ja vähävirtaiset ratkaisut.

Tässä artikkelissa käsitellään elektroniikkajärjestelmän lämmönlähteitä ja tarkastellaan joitakin lämpötilanvalvontaratkaisuja, joissa käytetään PTC-termistoreja yhdessä anturimikropiirien tai erillisten transistorien kanssa. Siinä myös vertaillaan näitä ratkaisuja lämpötilamittaukseen tarkoitettujen mikropiirien kanssa. Artikkelissa esitellään Toshiban mikropiirejä esimerkkeinä vähävirtaisesta ja kustannustehokkaasta lämpösuojauksesta ja selitetään niiden käyttöä.

Lämmönlähteet

Elektroniikkakomponenttien tuottama lämpö vaikuttaa negatiivisesti käyttäjien turvallisuuteen ja laitteen/järjestelmän toimintaan. Suurikokoiset mikropiirit, kuten keskusyksiköt (CPU), grafiikkasuorittimet (GPU), sovelluskohtaiset mikropiirit (ASIC), ohjelmoitavat porttimatriisit (FPGA) ja digitaaliset signaaliprosessorit (DSP) voivat tuottaa huomattavan määrän lämpöä. Ne tarvitsevat suojausta, mutta ne eivät ole ainoita komponentteja, joiden lämpötilaa täytyy valvoa.

Vastuksen läpi kulkeva virta aiheuttaa lämpöä, ja suurikokoisissa mikropiireissä on tuhansia tai miljoonia mikrolämmönlähteitä, jotka voivat yhdessä muodostaa suuren lämmönhallintahaasteen. Nämä samat mikropiirit tarvitsevat usein jännitteen tarkkaa regulointia aivan lähellä niiden virtanastoja. Tämä voi vaatia monivaiheisia POL (Point of Load) -DC-DC-muuntimia tai LDO (Low Dropout) -lineaariregulaattoreita. POL-muuntimien MOSFET-tehotransistoreissa ja LDO-regulaattoreissa käytettävien päästötransistorien johtamisresistanssit voivat saada komponentin kuumenemaan liikaa, mikä vähentää jännitereguloinnin tarkkuutta ja heikentää järjestelmän suorituskykyä.

Lämpöä eivät tuota kuitenkaan pelkästään POL-muuntimet ja LDO-regulaattorit. Lämpöä täytyy valvoa ja hallita monissa erilaisissa järjestelmissä, kuten AC-DC-virtalähteissä, moottorikäytöissä, keskeytymättömissä virtajärjestelmissä, aurinkoinverttereissä, sähköajoneuvojen voimansiirtolaitteissa, radiotaajuusvahvistimissa (RF) ja LiDAR-valotutkajärjestelmissä. Näihin järjestelmiin voi kuulua elektrolyyttikondensaattoreita energian massatallennukseen, sähkömagneettisia muuntajia jännitteen muuntoon ja erotukseen, optoeristimiä sähköiseen erotukseen sekä laserdiodeja.

Elektrolyyttikondensaattoreiden rippelivirrat, muuntajien pyörrevirrat, optoeristimien ledeissä kulkeva virta ja LiDAR-laserdiodit kuuluvat potentiaalisiin lämmönlähteisiin näissä laitteissa. Lämpötilan valvonta voi auttaa parantamaan turvallisuutta, suorituskykyä ja luotettavuutta kaikissa näissä tapauksissa.

Perinteiset PTC-termistorimenetelmät

Lämpötilan valvonta on lämpösuojauksessa kriittinen ensimmäinen vaihe. Kun ylilämpötila on tunnistettu, voidaan ryhtyä korjaaviin toimenpiteisiin. PTC-termistoreja käytetään usein lämpötilan valvontaan piirilevyllä. PTC-termistorin sähköinen resistiivisyys kasvaa lämpötilan noustessa. PTC-termistoriin perustuvat ratkaisut on optimoitu sellaisia toimintoja kuten ylivirta- ja oikosulkusuojausta sekä lämpötilan valvontaa varten. Lämpötilaa valvovat PTC-termistorit valmistetaan puolijohdekeramiikasta, jolla on korkea lämpötilakerroin. Niillä on suhteellisen alhainen resistanssiarvo huonelämpötilassa, mutta niiden resistanssi kasvaa nopeasti, kun ne kuumenevat Curien lämpötilan yläpuolelle.

PTC-termistoreja voidaan käyttää yksittäin tietyn laitteen, kuten grafiikkasuorittimen, valvontaan. Vaihtoehtoisesti niitä voidaan käyttää sarjassa valvomaan laajempaa laiteryhmää, kuten POL-muuntimen MOSFET-transistoreita. Lämpötilan valvonta PTC-termistoreilla on mahdollista toteuttaa useilla eri tavoilla. Kaksi yleistä tapaa on käyttää anturimikropiiriä tai erillisiä transistoreja PTC-termistorien resistanssin valvontaan (kuva 1).

Kuva 1: Kaksi yleistä PTC-termistoreja käyttävää lämpötilavalvontajärjestelmää ovat anturirajapintamikropiiri (vasemmalla) ja erillisiin transistoreihin perustuva ratkaisu (oikealla). (Kuvan lähde: Toshiba)

PTC-termistoreiden ketjulla on molemmissa tapauksissa yksi liitäntä isäntämikrokontrolleriin. Näiden lähestymistapojen välillä on useita kompromisseja:

• Komponenttien määrä: Mikropiiriratkaisu käyttää kolmea komponenttia, kun taas transistorimenetelmässä tarvitaan kuusi komponenttia
• Asennuspinta-ala: Mikropiiriratkaisu vaatii vähemmän piirilevytilaa, koska se käyttää vähemmän komponentteja
• Tarkkuus: Molemmat lähestymistavat ovat alttiita syöttöjännitteen muutoksille, mutta transistorimenetelmä on altis myös transistoriominaisuuksien muutoksille niiden lämpötilan noustessa. Mikropiiriratkaisu voi tarjota yleensä paremman tarkkuuden
• Kustannukset: Transistorimenetelmässä käytetään edullisia komponentteja, mikä voi tarjota kustannusetuja mikropiiriratkaisuun verrattuna

Anturimikropiirit ja Thermoflagger

PTC-termistorien sijasta voidaan käyttää useita lämpötilamittaukseen tarkoitettuja mikropiirejä. Lämpötilamittaukseen tarkoitetut mikropiirit mittaavat mikropiirillä olevan sirun lämpötilan ja voivat arvioida näin piirilevyn lämpötilan. Mitä alhaisempi piirilevyn ja mikropiirin välinen lämpövastus on, sitä parempi on lämpötila-arvio. Kun lämpötilamittaukseen tarkoitetut mikropiirit asennetaan oikein piirilevylle, ne voivat tuottaa erittäin tarkkoja mittauksia. Lämpötilamittaukseen tarkoitettujen mikropiirien käyttöön liittyy kaksi rajoittavaa tekijää: jokaiseen pisteeseen, jonka lämpötilaa halutaan mitata, täytyy sijoittaa mikropiiri ja jokainen mikropiiri tarvitsee oman liitännän isäntämikrokontrolleriin.

Toshiban Thermoflagger tarjoaa neljännen vaihtoehdon. Thermoflaggeria käyttämällä lämpötilan mittauspiirit voidaan toteuttaa vain yhdellä lisäkomponentilla lämpötilamittaukseen tarkoitettujen mikropiirien käyttöön verrattuna. Thermoflagger-ratkaisu ei vaadi monia liitäntöjä isäntämikrokontrolleriin, vaan ainoastaan yksi mikrokontrolleriliitäntä riittää, mikä mahdollistaa edullisten PTC-termistoreiden käytön useiden sijaintien samanaikaiseen valvontaan (kuva 2).

Kuva 2: Lämpötilamittaukseen tarkoitetuilla mikropiireillä suoritettava valvonta vaatii tyypillisesti yhden mikropiirin jokaiseen potentiaaliseen lämmönlähteeseen ja mikrokontrolleriliitännän kullekin anturimikropiirille (vasemmalla); Thermoflagger-ratkaisussa, jossa käytetään useita PTC-termistoreja, on vain yksi mikrokontrolleriliitäntä (oikealla). (Kuvan lähde: Toshiba)

Muita Thermoflaggeria puoltavia syitä ovat:

• se vie muihin ratkaisuihin verrattuna vähemmän piirilevytilaa
• virtalähteen jännitevaihtelut eivät vaikuta siihen
• sitä voidaan käyttää yksinkertaisen redundantin lämpötilanvalvonnan toteutukseen.

Miltä Thermoflagger-ratkaisu näyttää

Thermoflagger syöttää pienen vakiovirran siihen kytkettyihin PTC-termistoreihin ja valvoo niiden resistanssia. Se voi valvoa yksittäistä PTC-termistoria tai PTC-termistorien ketjua. Lämpötilan kasvaessa, riippuen kyseisestä valvottavasta PTC-termistorista, PTC-termistorin resistanssi kasvaa nopeasti ja Thermoflagger huomaa sen. Thermoflaggerien erilaiset vakiovirrat, kuten 1 tai 10 mikroampeeria (µA), mahdollistavat erilaisten PTC-termistorien käytön. Thermoflaggerin virrankulutus on vain 11,3 μA, joten se mahdollistaa vähävirtaisen valvonnan.

Mittauksen laukaisulämpötila määräytyy käytettävän PTC-termistorin mukaan, ja sitä voidaan muuttaa vaihtamalla termistori toiseen. Kun laite kuumenee liikaa, Thermoflagger havaitsee PTC-termistorin kasvaneen resistanssin ja aktivoi muutoksen PTCGOOD-lähdössä mikrokontrollerin hälyttämiseksi (kuva 3).

Kuva 3: Thermoflagger havaitsee lämmenneen PTC-termistorin resistanssin nousun (alhaalla) vertaamalla sitä normaalin käyttölämpötilan alhaiseen resistanssiin (ylhäällä). (Kuvan lähde: Toshiba)

Miten Thermoflagger toimii

Thermoflagger on tarkka analoginen mikropiiri, jonka lähtö on optimoitu liitettäväksi isäntämikrokontrolleriin. Sen seuraava toimintakuvaus viittaa alla olevassa kuvassa 4 esitettyihin numeroihin:

1. PTCO-liitäntä syöttää vakiovirran, joka muunnetaan jännitteeksi käyttäen yhden tai useamman kytketyn PTC-termistorin resistanssia. Sisäinen vakiovirtalähde on avain siihen, etteivät syöttöjännitteen vaihtelut vaikuta Thermoflagger-ratkaisun toimintaan. Tämä on merkittävä erottava tekijä muihin lämpötilavalvontatekniikoihin verrattuna. Jos PTC-termistori kuumenee ja sen resistanssi kasvaa huomattavasti, PTCO-jännite nousee syöttöjännitteeseen (V_DD). PTCO-jännite nousee arvoon V_DD myös, jos PTCO-liitäntä on auki.
2. Jos PTCO-jännite ylittää tunnistusjännitteen, komparaattorin lähdön tila kääntyy ja se lähettää ”Low”-signaalin. PTCO-lähdön tarkkuus on ±8 %.
3. Thermoflagger-mikropiirejä on saatavana kahdella lähtömuodolla: avoin nielu ja push-pull. Avoimen nielun lähdöt vaativat ylösvetovastuksen. Push-pull-lähdöissä ei vastusta tarvita.
4. Kun komparaattorin lähtö on invertoitu, se lukitaan (olettaen, että Thermoflagger sisältää valinnaisen salpatoiminnon), jotta lähtö ei voi muuttua PTC-termistorin lämpötilan laskun vuoksi.
5. Salpatoiminto vapautetaan antamalla signaali RESET-nastalle.

Kuva 4: Lohkokaavio näyttää Thermoflaggerin tärkeimmät toiminnot. Thermoflaggeri on tarkka analoginen mikropiiri, jonka lähtö on optimoitu liitettäväksi isäntämikrokontrolleriin. (Kuvan lähde: Toshiba)

Sovellusnäkökulmia

Thermoflagger-ratkaisut voivat olla erityisen hyödyllisiä suurikokoisten mikropiirien, kuten järjestelmäpiirien (SoC), virtalähteissä käytettävien MOSFET-transistorien tai LDO-muuntajien valvonnassa sekä teollisuus- ja kuluttajajärjestelmien moottorinohjauspiireissä. Tyypillisiä sovelluksia ovat kannettavat tietokoneet (kuva 5), robotti-imurit, kodinkoneet, tulostimet, akkukäyttöiset käsityökalut, puettavat laitteet ja vastaavat laitteet. Esimerkkejä Thermoflagger-mikropiireistä ovat mm.:

1. TCTH021BE tarjoaa PTCO-lähtövirran 10 µA ja ei-salpaavan avoimen nielun lähdön
2. TCTH022BE tarjoaa PTCO-lähtövirran 10 µA ja salpaavan avoimen nielun lähdön
3. TCTH021AE tarjoaa PTCO-lähtövirran 10 µA ja salpaavan push-pull-lähdön

Kuva 5: Kuvassa esitetään tyypillinen Thermoflagger-toteutus kannettavassa tietokoneessa. (Kuvan lähde: Toshiba)

Kuten kaikkien tarkkuusmikropiirien, myös Thermoflaggerin järjestelmäintegraatioon liittyy erityisiä näkökohtia, kuten:

• PTCO-nastaan syötettävä jännite ei saa ylittää 1 V.
• Thermoflagger on suojattava järjestelmän kohinalta sisäisen komparaattorin luotettavan toiminnan takaamiseksi.
• Thermoflagger-mikropiiri ja PTC-termistorit tulee sijoittaa riittävän kauaksi toisistaan, jotta lämpö ei voi siirtyä piirilevyn kautta Thermoflagger-mikropiiriin.
• V_DD- ja GND-nastojen väliin sijoitettu erotuskondensaattori auttaa toiminnan stabilisoinnissa.
• Kaikki GND-nastat täytyy liittää järjestelmän maatasoon.

Yksinkertainen redundanssi

Joissain järjestelmissä on hyötyä redundantista lämpötilanvalvonnasta. Näin voi olla erityisesti, jos valvotaan kallista mikropiiriä tai jos kyseessä on kriittinen toiminto. Thermoflaggerilla voidaan sen yksinkertaisuuden ja pienen sirukokoon ansiosta integroida helposti ylimääräinen lämpötilavalvontakerros, jolloin saadaan robusti ja luotettava lämpötilanvalvontajärjestelmä (kuva 6).

Kuva 6: Thermoflaggerilla voidaan lisätä redundanssi suojauskerros (oikealla) lämpötilamittaukseen tarkoitettuihin mikropiireihin perustuvaan perustason lämpötilanvalvontaratkaisuun (vasemmalla). (Kuvan lähde: Toshiba)

Yhteenveto

Suunnittelijoiden täytyy valvoa ylikuumenemista, jotta järjestelmä toimisi luotettavasti. Saatavilla on useita lämmönvalvontavaihtoehtoja, mukaan lukien lämpötilamittaukseen tarkoitetut mikropiirit ja PTC-termistorit. Uudempi vaihtoehto on Toshiban Thermoflagger, joka tarjoaa monia etuja, joihin kuuluvat useiden edullisten PTC-termistorien käyttö, pienempi tilantarve, pienempi komponenttimäärä, yksi ainut mikrokontrolleriliitäntä, häiriönsietokyky virtalähteen vaihteluille sekä mahdollisuus toteuttaa yksinkertainen redundantti lämpötilanvalvonta.