Un approccio innovativo per implementare il monitoraggio della temperatura preciso, a basso consumo e compatto

Il calore può essere un punto dolente per i progettisti di quasi tutti i sistemi elettronici, come i dispositivi indossabili, gli elettrodomestici, le apparecchiature medicali e le attrezzature industriali. L'accumulo di calore, se inavvertito, può essere particolarmente problematico. Per evitare questo problema, sono disponibili diverse opzioni per rilevare il calore, tra cui CI di rilevamento della temperatura e termistori a coefficiente di temperatura positivo (PTC). Tuttavia, questi dispositivi hanno i loro limiti. Ogni opzione di rilevamento utilizza più componenti, richiede un collegamento dedicato all'unità microcontroller (MCU) host, occupa spazio prezioso sulla scheda, richiede tempo per la progettazione e ha una precisione limitata.

Detto questo, i progettisti hanno una nuova opzione. Sono stati sviluppati CI da utilizzare con più termistori PTC che consentono a un singolo dispositivo di eseguire il rilevamento preciso della sovratemperatura con un unico collegamento all'MCU host. Per garantire un'elevata flessibilità di progettazione, questi CI selezionano le correnti di uscita per supportare diversi termistori PTC. Sono disponibili con diverse interfacce MCU e possono includere una funzione di auto-tenuta. Sono alloggiati in un piccolo contenitore SOT-553 di 1,6 x 1,6 x 0,55 mm e hanno un consumo di corrente di 11,3 μA, quindi perfetti per realizzare soluzioni compatte e a basso consumo.

Questo articolo passa in rassegna le sorgenti di calore in un sistema elettronico ed esamina alcune soluzioni di monitoraggio della temperatura che utilizzano termistori PTC combinati con CI di rilevamento o transistor discreti. Inoltre, confronta queste soluzioni con i CI di misurazione della temperatura. L'articolo presenta e spiega come applicare i CI di Toshiba che esemplificano la protezione termica a basso consumo ed economica.

Sorgenti di calore

Il calore generato dai componenti elettronici ha un impatto negativo sulla sicurezza dell'utente e sul funzionamento del dispositivo/sistema. I CI di grandi dimensioni, come le unità di elaborazione centrale (CPU), le unità di elaborazione grafica (GPU), i CI specifici per le applicazioni (ASIC), i gate array programmabili sul campo (FPGA) e i processori di segnali digitali (DSP), possono produrre notevoli quantità di calore. Devono essere protetti, ma non sono gli unici dispositivi da monitorare per evitare il calore eccessivo.

La corrente che scorre attraverso una resistenza provoca calore e, nel caso di CI grandi, vi sono migliaia o milioni di sorgenti di calore microscopiche che possono rendere difficoltosa la gestione termica. Questi stessi CI hanno spesso bisogno di una regolazione precisa della tensione, direttamente in prossimità dei pin di alimentazione. Ciò può richiedere convertitori c.c./c.c. multifase (PoL) o regolatori lineari a bassa caduta di tensione (LDO). Le resistenze nello stato On dei MOSFET di potenza nei PoL e dei pass transistor negli LDO possono causare il surriscaldamento dei dispositivi, riducendo la precisione di regolazione della tensione e compromettendo le prestazioni del sistema.

Non sono solo i PoL e gli LDO a generare calore. Il calore deve essere monitorato e gestito in molti sistemi, tra cui gli alimentatori c.a./c.c., gli azionamenti dei motori, i gruppi di continuità, gli inverter solari, i motopropulsori dei veicoli elettrici (EV), gli amplificatori a radiofrequenza (RF) e i sistemi di rilevamento e telemetria mediante luce (LiDAR). Questi possono includere condensatori elettrolitici per l'immagazzinaggio dell'energia, trasformatori elettromagnetici per la trasformazione e l'isolamento della tensione, optoisolatori per l'isolamento elettrico e diodi laser.

Le correnti di ripple nei condensatori elettrolitici, le correnti parassite nei trasformatori, il flusso di corrente nei LED degli optoisolatori e i diodi laser nei LiDAR sono tra le potenziali sorgenti di calore di questi dispositivi. Il monitoraggio della temperatura può aiutare in tutti questi casi a migliorare la sicurezza, le prestazioni e l'affidabilità.

Approcci convenzionali ai termistori PTC

Il monitoraggio della temperatura è il primo passo fondamentale per la protezione termica. Una volta identificata una condizione di sovratemperatura, è possibile adottare misure correttive. I termistori PTC sono spesso utilizzati per monitorare le temperature su una scheda CS. Un termistore PTC subisce un aumento della resistività elettrica all'aumentare della temperatura. I termistori PTC sono ottimizzati per funzioni specifiche come la protezione da sovracorrenti e cortocircuiti e il monitoraggio della temperatura. I termistori PTC per il monitoraggio della temperatura sono realizzati con materiali ceramici semiconduttori con un elevato coefficiente di temperatura. Hanno valori di resistenza relativamente bassi a temperatura ambiente, ma la loro resistenza aumenta rapidamente quando vengono riscaldati oltre la loro temperatura di Curie.

I termistori PTC possono essere utilizzati singolarmente per monitorare un dispositivo specifico, come una GPU, oppure se ne possono utilizzare diversi in serie per monitorare più dispositivi, come i MOSFET in un PoL. Esistono diversi modi per implementare il monitoraggio della temperatura mediante i termistori PTC. Due metodi comuni sono l'uso di un sensore in CI o di transistor discreti per monitorare la resistenza dei termistori PTC (Figura 1).

Figura 1: Due comuni schemi di monitoraggio della temperatura con termistori PTC che prevedono CI di interfaccia per sensori (a sinistra) e soluzioni a transistor discreti (a destra). (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

In entrambi i casi, vi è un unico collegamento all'MCU host per una catena di termistori PTC. Esistono diversi compromessi tra questi approcci:

• Numero di componenti: la soluzione CI utilizza tre componenti, rispetto ai sei dispositivi necessari con l'approccio a transistor.
• Area di montaggio:la soluzione CI richiede un'area minore sulla scheda SC, poiché utilizza un numero inferiore di componenti.
• Precisione: entrambi gli approcci sono suscettibili di variazioni della tensione di alimentazione, ma l'approccio a transistor è anche suscettibile di variazioni delle caratteristiche del transistor all'aumentare della temperatura. Nel complesso, l'approccio CI può fornire una precisione migliore
• Costo: l'approccio a transistor utilizza dispositivi poco costosi, che possono offrire un vantaggio in termini di costi rispetto all'approccio CI.

Sensori in CI e Thermoflagger

Al posto dei termistori PTC è possibile utilizzare più CI di rilevamento della temperatura. I CI di rilevamento della temperatura misurano la temperatura del die per stimare la temperatura della scheda CS. Quanto più bassa è la resistenza termica tra la scheda e il CI, tanto migliore è la stima della temperatura. Se montati correttamente sulla scheda CS, i CI di rilevamento della temperatura possono fornire misure estremamente precise. Due fattori limitanti dell'uso di CI di rilevamento della temperatura sono la necessità di collocare un CI in ogni punto in cui deve essere misurata la temperatura e la necessità di un collegamento dedicato all'MCU host.

I Thermoflagger di Toshiba sono una quarta opzione. Utilizzando i Thermoflagger, i circuiti di misurazione della temperatura possono essere implementati con un solo componente aggiuntivo, rispetto all'uso di CI di misurazione della temperatura. Anziché avere più collegamenti all'MCU host, la soluzione Thermoflagger richiede un unico collegamento all'MCU, consentendo l'uso di termistori PTC economici per il monitoraggio simultaneo di più posizioni (Figura 2).

Figura 2: Il monitoraggio di un CI sensore di temperatura richiede in genere un CI in corrispondenza di ogni potenziale sorgente di calore e un collegamento all'MCU per ogni sensore in CI (a sinistra); una soluzione Thermoflagger con più termistori PTC ha un unico collegamento all'MCU (a destra). (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

Altri motivi per prendere in considerazione i Thermoflagger:

• Occupano meno spazio sulla scheda CS rispetto ad altre soluzioni.
• Non sono influenzati dalle variazioni di tensione di alimentazione.
• Possono essere utilizzati per implementare il semplice monitoraggio ridondante della temperatura.

Che aspetto ha una soluzione Thermoflagger?

Un Thermoflagger fornisce una piccola corrente costante ai termistori PTC collegati e ne monitora la resistenza. Può monitorare un singolo termistore PTC o una catena di termistori PTC. A temperature elevate, a seconda dello specifico termistore PTC monitorato, la resistenza di un termistore PTC aumenta rapidamente e il Thermoflagger rileva tale aumento. I Thermoflagger con correnti costanti diverse, di 1 o 10 µA, sono adatti a una varietà di termistori PTC. Con un consumo di corrente di 11,3 μA, i Thermoflagger sono progettati per consentire il monitoraggio a bassa potenza.

La temperatura di attivazione del rilevamento è determinata dallo specifico termistore PTC utilizzato e può essere modificata sostituendolo con uno diverso. In presenza di una sovratemperatura, il Thermoflagger rileva l'aumento della resistenza del termistore PTC e modifica l'uscita PTCGOOD per avvisare l'MCU (Figura 3).

Figura 3: Un Thermoflagger rileva l'aumento della resistenza di un termistore PTC riscaldato (in basso), rispetto alle basse resistenze associate alle normali temperature di funzionamento (in alto). (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

Come funziona un Thermoflagger

Il Thermoflagger è un CI analogico di precisione con un'uscita ottimizzata per il collegamento a un MCU host. La seguente descrizione del suo funzionamento si riferisce ai numeri della Figura 4:

1. La corrente costante viene fornita dal terminale PTCO e convertita in tensione utilizzando la resistenza di uno o più termistori PTC collegati. È la sorgente interna di corrente costante che rende una soluzione Thermoflagger insensibile alle variazioni di tensione di alimentazione, un elemento di differenziazione significativo rispetto ad altre tecniche di monitoraggio della temperatura. Se un termistore PTC si riscalda e presenta un aumento sostanziale della resistenza, la tensione PTCO aumenta fino alla tensione di alimentazione (V_DD). La tensione PTCO sale a V_DD anche se il terminale PTCO è aperto.
2. Se la tensione PTCO supera la tensione di rilevamento, l'uscita del comparatore si inverte e invia un'uscita 'bassa'. La precisione dell'uscita PTCO è di ±8%.
3. I CI Thermoflagger sono disponibili con due formati di uscita: a drain aperto e push-pull. Le uscite a drain aperto richiedono un resistore pull-up. Per le uscite push-pull non è necessario alcun resistore.
4. Dopo che l'uscita del comparatore viene invertita, questa viene bloccata (se il Thermoflagger include la funzione di blocco opzionale) per evitare che cambi a causa di un calo di temperatura del termistore PTC.
5. Il blocco viene rilasciato applicando un segnale al pin RESET.

Figura 4: Diagramma a blocchi delle funzioni chiave di un Thermoflagger, un CI analogico di precisione con un'uscita ottimizzata per il collegamento a un MCU host. (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

Considerazioni sull'applicazione

Le soluzioni Thermoflagger possono essere particolarmente utili per il monitoraggio dei MOSFET o degli LDO nei circuiti di alimentazione dei CI grandi, come i System-on-Chip (SoC) e per i circuiti di azionamento dei motori nei sistemi industriali e consumer. Le applicazioni tipiche includono computer portatili (Figura 5), robot aspirapolvere, elettrodomestici, stampanti, utensili manuali a batteria, dispositivi indossabili e simili. Esempi di CI Thermoflagger:

1. TCTH021BE con una corrente di uscita PTCO di 10 µA e un'uscita a drain aperto monostabile
2. TCTH022BE con una corrente di uscita PTCO di 10 µA e un'uscita a drain aperto ad auto-tenuta
3. TCTH021AE con una corrente di uscita PTCO di 10 µA e un'uscita push-pull ad auto-tenuta

Figura 5: Una tipica implementazione di un Thermoflagger in un computer portatile. (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

Come tutti i CI di precisione, per il Thermoflagger valgono considerazioni specifiche sull'integrazione del sistema, tra cui:

• La tensione applicata al pin PTCO non deve superare 1 V
• Il Thermoflagger deve essere protetto dal rumore del sistema per garantire un funzionamento affidabile del comparatore interno
• Il CI Thermoflagger e i termistori PTC devono essere sufficientemente distanziati per evitare che il calore si trasmetta attraverso la scheda CS al CI Thermoflagger
• Un condensatore di disaccoppiamento posto tra V_DD e GND contribuisce a garantire un funzionamento stabile
• Tutti i pin GND devono essere collegati alla massa del sistema

Ridondanza semplice

Alcuni sistemi possono beneficiare del monitoraggio ridondante della temperatura. Ciò può essere particolarmente vero se si sta monitorando un CI costoso o se è coinvolta una funzione critica. La semplicità e le dimensioni ridotte di un Thermoflagger consentono di integrare facilmente un ulteriore livello di monitoraggio della temperatura, ottenendo un sistema robusto e affidabile (Figura 6).

Figura 6: Un Thermoflagger può aggiungere un livello di ridondanza (a destra) a una soluzione di base basata su CI di monitoraggio della temperatura (a sinistra). (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

Conclusione

Per garantire prestazioni affidabili del sistema, i progettisti devono monitorare il calore in eccesso. Sono disponibili diverse opzioni di monitoraggio del calore, tra cui CI di rilevamento della temperatura e termistori PTC. Un'opzione più recente è il Thermoflagger di Toshiba, che offre molti vantaggi, tra cui l'uso di più termistori PTC a basso costo, un ingombro ridotto, un numero minore di componenti, un unico collegamento all'MCU, l'immunità alle fluttuazioni dell'alimentazione e la possibilità di implementare un semplice monitoraggio ridondante della temperatura.