【導(dǎo)讀】對于可穿戴設(shè)備、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)設(shè)備等幾乎所有電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來說，發(fā)熱都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。不易察覺的熱量積聚尤其棘手。為避免出現(xiàn)此類問題，有幾種測熱方法可供選擇，包括溫度感應(yīng) IC 和正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻。然而，這些方法都有其局限性。每種感測方法都使用多個(gè)元器件，而這些元器件需要與主機(jī)微控制器單元 (MCU) 的專用連接，占用寶貴的電路板空間，設(shè)計(jì)耗時(shí)，而且精度有限。
對于可穿戴設(shè)備、家用電器、醫(yī)療設(shè)備和工業(yè)設(shè)備等幾乎所有電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員來說，發(fā)熱都是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。不易察覺的熱量積聚尤其棘手。為避免出現(xiàn)此類問題，有幾種測熱方法可供選擇，包括溫度感應(yīng) IC 和正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻。然而，這些方法都有其局限性。每種感測方法都使用多個(gè)元器件，而這些元器件需要與主機(jī)微控制器單元 (MCU) 的專用連接，占用寶貴的電路板空間，設(shè)計(jì)耗時(shí)，而且精度有限。
不過，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有了新的選擇。人們開發(fā)了可與多個(gè) PTC 熱敏電阻配合使用的 IC，使單個(gè) IC 只需與主機(jī) MCU 的一個(gè)連接，即可執(zhí)行精確的超溫檢測。為了提供高度的設(shè)計(jì)靈活性，這些 IC 可選擇輸出電流，以支持各種 PTC 熱敏電阻。它們有多種 MCU 接口可供選擇，并可包括閉鎖功能。采用 1.6 x 1.6 x 0.55 mm 的微型 SOT-553 封裝，這些器件的電流消耗為 11.3 μA，從而實(shí)現(xiàn)了緊湊型低功耗解決方案。
本文介紹了電子系統(tǒng)中的各種熱源，并探討了一些將 PTC 熱敏電阻與感測 IC 或分立式晶體管結(jié)合使用的溫度監(jiān)測解決方案。文中還將這些解決方案與溫度測量 IC 進(jìn)行了比較。本文還將介紹并解釋如何應(yīng)用來自 Toshiba 的 IC，這些 IC 是實(shí)現(xiàn)低功耗、高成本效益熱保護(hù)的典范。
熱源
電子元器件產(chǎn)生的熱量會對用戶安全和設(shè)備/系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生不利影響。中央處理器 (CPU)、圖形處理器 (GPU)、專用集成電路 (ASIC)、現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 和數(shù)字信號處理器 (DSP) 等大型 IC 會產(chǎn)生大量熱量。雖然它們需要保護(hù)，但還不是僅有的必須監(jiān)測是否過熱的器件。
電流在流經(jīng)電阻時(shí)會產(chǎn)生熱量，而在大型 IC 中，有成千上萬甚至數(shù)百萬個(gè)微熱源，這些微熱源積聚在一起，會給熱管理帶來巨大挑戰(zhàn)。這些 IC 通常需要在電源引腳附近直接進(jìn)行精確的電壓調(diào)節(jié)。這可能需要多相負(fù)載點(diǎn) (POL) DC-DC 轉(zhuǎn)換器或低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器。POL 中的功率 MOSFET 和 LDO 中的傳輸晶體管的導(dǎo)通電阻可能導(dǎo)致器件過熱，從而降低電壓調(diào)節(jié)精度，并影響系統(tǒng)性能。
產(chǎn)生熱量的不僅僅是 POL 和 LDO。我們需要對一系列系統(tǒng)上的熱量進(jìn)行監(jiān)測和管理，包括 AC-DC 電源、電機(jī)驅(qū)動器、不間斷電源系統(tǒng)、太陽能逆變器、電動汽車 (EV) 傳動系統(tǒng)、射頻 (RF) 放大器，以及光探測和測距 (LiDAR) 系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可能包括用于大量儲能的電解電容器、用于電壓轉(zhuǎn)換和隔離的電磁互感器、用于電氣隔離的光隔離器以及激光二極管。
電解電容器中的紋波電流、變壓器中的渦流、光隔離器中 LED 的電流，以及 LiDAR 中的激光二極管，都是這些器件中的潛在熱源。在所有這些情況下，溫度監(jiān)測都有助于提高安全性、性能和可靠性。
傳統(tǒng) PTC 熱敏電阻方法
監(jiān)測溫度是熱保護(hù)的關(guān)鍵第一步。一旦發(fā)現(xiàn)超溫情況，就可以采取補(bǔ)救措施。PTC 熱敏電阻通常用于監(jiān)測印刷電路板上的溫度。PTC 熱敏電阻的電阻率會隨著溫度的升高而增加。PTC 熱敏電阻設(shè)計(jì)針對過流、短路保護(hù)和溫度監(jiān)測等特定功能進(jìn)行了優(yōu)化。溫度監(jiān)測 PTC 熱敏電阻采用溫度系數(shù)較高的半導(dǎo)體陶瓷制成。在室溫下，它們的電阻值相對較低，但當(dāng)加熱到居里溫度以上時(shí)，電阻值會迅速上升。
PTC 熱敏電阻可單獨(dú)用于監(jiān)測特定器件（例如 GPU），也可多個(gè)串聯(lián)用于監(jiān)測更多器件（例如 POL 中的 MOSFET）。使用 PTC 熱敏電阻實(shí)施溫度監(jiān)測有多種方法。兩種常見的方法是使用傳感器 IC 或分立式晶體管來監(jiān)測 PTC 熱敏電阻的電阻（圖 1）。
圖 1：使用 PTC 熱敏電阻的兩種常見溫度監(jiān)測方案分別采用傳感器接口 IC（左）和分立式晶體管解決方案（右）。（圖片來源：Toshiba）
在這兩種情況下，PTC 熱敏電阻鏈與主機(jī) MCU 之間只有單個(gè)連接。選擇這些方法時(shí)，需要在以下幾個(gè)方面做出權(quán)衡取舍：
· 元器件數(shù)：IC 解決方案使用三個(gè)元器件，而晶體管方法需要六個(gè)器件
· 貼裝面積：由于使用的元器件較少，IC 解決方案所需的電路板面積也較小
· 精度：這兩種方法都容易受到電源電壓變化的影響，但晶體管方法還容易受到溫度升高時(shí)晶體管特性變化的影響。總體而言，IC 方法可以提供更高的精度
· 成本：晶體管方法使用的器件價(jià)格低廉，相比 IC 方法具有成本優(yōu)勢
傳感器 IC 和 Thermoflagger
可以使用多個(gè)溫度感測 IC 代替 PTC 熱敏電阻。溫度感測 IC 會測量其芯片溫度，從而估計(jì)印刷電路板的溫度。印刷電路板和 IC 之間的熱阻越低，溫度估計(jì)值越準(zhǔn)確。只要正確貼裝在印刷電路板上，溫度感測 IC 就能提供高度精確的測量。使用溫度感測 IC 有兩個(gè)限制因素，第一個(gè)是必須在需要測量溫度的每個(gè)點(diǎn)放置一個(gè) IC，第二個(gè)是每個(gè) IC 都需要與主機(jī) MCU 建立專用連接。
Toshiba 的 Thermoflagger 提供了第四種選擇。與使用溫度測量 IC 相比，使用 Thermoflagger 只需增加一個(gè)元器件，即可實(shí)現(xiàn)溫度測量電路。Thermoflagger 解決方案不需要與主機(jī) MCU 的多個(gè)連接，而只需單個(gè) MCU 連接，因而能夠使用廉價(jià)的 PTC 熱敏電阻同時(shí)監(jiān)測多個(gè)位置（圖 2）。
圖 2：溫度傳感器 IC 監(jiān)測通常需要在每個(gè)潛在熱源處使用一個(gè) IC，并為每個(gè)傳感器 IC 提供 MCU 連接（左）；使用 Thermoflagger 和多個(gè) PTC 熱敏電阻的解決方案只需單個(gè) MCU 連接（右）。（圖片來源：Toshiba）
考慮使用 Thermoflagger 的更多原因包括：
· 與其他解決方案相比，它占用的電路板面積更小
· 它不受電源電壓變化的影響
· 它可用于實(shí)施簡單的冗余溫度監(jiān)測
Thermoflagger 解決方案是什么樣的？
Thermoflagger 為連接的 PTC 熱敏電阻提供一個(gè)小恒定電流，并監(jiān)測其電阻。它可以監(jiān)測單個(gè) PTC 熱敏電阻或 PTC 熱敏電阻鏈。溫度升高時(shí)，根據(jù)所監(jiān)測的特定 PTC 熱敏電阻，PTC 熱敏電阻的電阻會迅速上升，Thermoflagger 會檢測到電阻的增加。Thermoflagger 具有不同的恒定電流，例如 1 或 10 μA，以適應(yīng)各種不同的 PTC 熱敏電阻。Thermoflagger 的電流消耗為 11.3 μA，旨在實(shí)現(xiàn)低功耗監(jiān)測。
檢測觸發(fā)溫度取決于使用的特定 PTC 熱敏電阻，可通過替換不同的 PTC 熱敏電阻進(jìn)行更改。如果發(fā)生超溫，Thermoflagger 會檢測到 PTC 熱敏電阻的電阻增大，并觸發(fā) PTCGOOD 輸出的變化，向 MCU 發(fā)出警報(bào)（圖 3）。
圖 3：與正常工作溫度下的低電阻（上圖）相比，Thermoflagger 感測到加熱的 PTC 熱敏電阻的電阻上升（下圖）。（圖片來源：Toshiba）
Thermoflagger 的工作原理
Thermoflagger 是一款精密模擬 IC，其輸出經(jīng)過優(yōu)化，可與主機(jī) MCU 連接。以下對其工作原理的描述引用了下面圖 4 中的數(shù)據(jù)：
1、恒流由 PTCO 端子提供，并利用一個(gè)或多個(gè)連接的 PTC 熱敏電阻的電阻轉(zhuǎn)換為電壓。正是內(nèi)部恒流源使得 Thermoflagger 解決方案對電源電壓變化不敏感，這是它與其他溫度監(jiān)測技術(shù)相比的一大重要優(yōu)勢。如果 PTC 熱敏電阻發(fā)熱，電阻大幅增加，PTCO 電壓就會增加至電源電壓 (VDD)。如果 PTCO 端子斷開，PTCO 電壓也會升至 VDD。
2、如果 PTCO 電壓超過檢測電壓，比較器的輸出將反轉(zhuǎn)，并且發(fā)送“低”輸出。PTCO 輸出精度為 ±8%。
3、Thermoflagger IC 有兩種輸出格式：開漏和推挽。開漏輸出需要一個(gè)上拉電阻。推挽輸出無需電阻器。
4、比較器輸出反轉(zhuǎn)之后，它將被閉鎖（假設(shè) Thermoflagger 包括可選的閉鎖功能），以防止輸出因 PTC 熱敏電阻的溫度下降而發(fā)生變化。
5、向 RESET 引腳施加信號后，鎖存器被釋放。
圖 4：顯示 Thermoflagger 主要功能的框圖，Thermoflagger 是一種精密模擬 IC，其輸出經(jīng)過優(yōu)化，可與主機(jī) MCU 連接。（圖片來源：Toshiba）
應(yīng)用注意事項(xiàng)
Thermoflagger 解決方案尤其適用于監(jiān)測大型 IC （例如片上系統(tǒng) SoC）的電源電路中的 MOSFET 或 LDO，以及工業(yè)和消費(fèi)系統(tǒng)中的電機(jī)驅(qū)動電路。其典型應(yīng)用包括筆記本電腦（圖 5）、機(jī)器人真空吸塵器、家用電器、打印機(jī)、電池供電的手動工具、可穿戴設(shè)備以及類似設(shè)備。Thermoflagger IC 的例子包括：
· TCTH021BE，提供 10 μA 的 PTCO 輸出電流和非閉鎖開漏輸出
· TCTH022BE，提供 10 μA 的 PTCO 輸出電流和閉鎖開漏輸出
· TCTH021AE，提供 10 μA 的 PTCO 輸出電流和閉鎖推挽輸出
圖 5：筆記本電腦中的典型 Thermoflagger 實(shí)施。（圖片來源：Toshiba）
與所有精密 IC 一樣，Thermoflagger 也有特定的系統(tǒng)集成注意事項(xiàng)，包括：
· 施加到 PTCO 引腳上的電壓不應(yīng)超過 1 V
· 應(yīng)避免 Thermoflagger 受到系統(tǒng)噪聲的影響，以確保內(nèi)部比較器的可靠運(yùn)行
· Thermoflagger IC 和 PTC 熱敏電阻之間應(yīng)保持足夠的間距，以防止熱量通過印刷電路板傳遞到 Thermoflagger IC
· 在 VDD 和 GND 之間放置去耦電容器，有助于確保穩(wěn)定運(yùn)行
· 所有 GND 引腳必須連接到系統(tǒng)地線
簡單冗余
一些系統(tǒng)可受益于冗余溫度監(jiān)測。如果監(jiān)測的是成本昂貴的 IC，或者涉及到關(guān)鍵功能，情況更是如此。Thermoflagger 解決方案非常簡單，而且體積小巧，因而可以輕松集成更多的溫度監(jiān)測層，從而構(gòu)建強(qiáng)大可靠的溫度監(jiān)測系統(tǒng)（圖 6）。
圖 6：Thermoflagger 可為基于溫度監(jiān)測 IC（左）的基本溫度監(jiān)測解決方案增加溫度監(jiān)測層或冗余（右）。（圖片來源：Toshiba）
總結(jié)
為確保可靠的系統(tǒng)性能，設(shè)計(jì)人員必須監(jiān)測過熱現(xiàn)象。他們可以采用多個(gè)熱監(jiān)測選項(xiàng)，包括溫度感測 IC 和 PTC 熱敏電阻。Toshiba 的 Thermoflagger 是一種較新的可選產(chǎn)品，它具備諸多優(yōu)點(diǎn)，包括使用多個(gè)低成本 PTC 熱敏電阻、基底面較小、元器件數(shù)量較少、與 MCU 只有單個(gè)連接、抗電源波動能力強(qiáng)，另外還可實(shí)施簡單的冗余溫度監(jiān)測。
（作者：Jeff Shepard）
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