גישה‏ חדשנית למימוש ניטור טמפרטורה בהספק נמוך, מדויק וקומפקטי

חום יכול להציג אתגרים עבור מתכננים של כמעט כל מערכת אלקטרונית כגון התקנים לבישים, מכשירי חשמל ביתיים, ציוד רפואי וציוד תעשייתי. עליית חום בלתי מובחנת יכולה להיות מדאיגה במיוחד. כדי למנוע בעיה כזאת, ישנן מספר אפשרויות לגלות חום, כולל מעגלים-משולבים (ICs‏) לחישת טמפרטורה ותרמיסטורים בעלי מקדם טמפרטורה חיובי (PTC‏). עם זאת, לאפשרויות אלו יש את המגבלות שלהן. כל אופציית חישה משתמשת ברכיבים מרובים, דורשת‏ חיבור ייעודי ליחידת המיקרו-בקר המארח (MCU), תופסת מקום יקר-ערך על הלוח, לוקחת זמן לתכנן ויש לה דיוק מוגבל.

עם זאת, למתכננים יש‏ אופציה חדשה. פותחו ICs‏ לשימוש עם תרמיסטורי PTC‏ רבים המאפשרים ל-IC‏ יחיד לבצע זיהוי מדויק של טמפרטורת-יתר עם חיבור אחד ל-MCU המארח. כדי לספק רמות גבוהות של‏ גמישות תכנון, ICs‏ אלו בוחרים זרמי יציאה כדי לתמוך בתרמיסטורי PTC שונים. הם זמינים עם‏ מבחר ממשקי MCU ‏ועשויים לכלול פונקציית נעילה (latching function). הם באים במארז‏ SOT-553 זעיר של 1.6‏ x‏ 1.6‏ x‏ 5‏0.5‏ מילימטר (mm) והם בעלי צריכת זרם של‏ 11.3 מיקרו-אמפר (μA‏), ובכך מאפשרים פתרונות הספק-נמוך קומפקטיים.

מאמר זה סוקר את מקורות החום במערכת ‏אלקטרונית ובוחן פתרונות ניטור-טמפרטורה מסוימים תוך שימוש בתרמיסטורי PTC‏ משולבים עם ICs‏ של חישה או טרנזיסטורים בדידים. הוא גם משווה פתרונות אלה עם ICs‏ למדידת טמפרטורה. המאמר מציג ומסביר כיצד ליישם ICs‏ מבית Toshiba‏ המדגימים הגנה תרמית משתלמת בהספק-נמוך.

מקורות חום

החום המופק על ידי רכיבים אלקטרוניים משפיע לשלילה על בטיחות משתמש ועבודת התקן/מערכת. ICs‏ גדולים כמו יחידות עיבוד ‏מרכזי (CPUs), יחידות עיבוד גרפי (GPUs), מעגלים-משולבים ייחודיים-ליישום (ASICs), מערכי שערים ניתנים לתכנות בשטח (FPGAs) ומעבדי אותות דיגיטליים (DSPs) יכולים לייצר כמויות משמעותיות של חום. הם זקוקים להגנה, אך הם אינם ההתקנים היחידים שחייבים להיות מנוטרים מבחינת חום חריג.

זרם הזורם דרך‏ נגד גורם לחום, ובמקרה של ICs‏ גדולים, ישנם אלפי או מיליוני מקורות חום היכולים להסתכם באתגר ניהול תרמי גדול.‏ אותם ICs זקוקים לרוב לייצוב מתח מדויק צמוד ישירות לפינים החשמליים שלהם. זה יכול לדרוש ממירי DC-DC נקודת עומס (POL) מרובי-פאזות או מייצבים ליניאריים עם ירידת מתח קטנה (LDO). התנגדויות המצב-המופעל של טרנזיסטורי ההספק MOSFET ב-POLs וטרנזיסטורי המעבר ב-LDOs יכולות לגרום לחימום יתר של ההתקן, וכתוצאה מכך להקטין דיוק ייצוב מתח ופגיעה בביצועי מערכת.

לא רק POLs ו-LDOs מייצרות חום. חום יש לנטר ולנהל לרוחב מגוון מערכות, כולל ספקי-כוח AC-DC, דוחפי מנוע, מערכות אספקת-כוח אל-פסק, מהפכים סולריים, מערכות הינע של רכבים חשמליים (EV) , מגברי תדר רדיו (RF) ומערכות גילוי אור ומציאת טווח (LIDAR). מערכות אלו יכולות לכלול קבלים אלקטרוליטיים עבור אחסון אנרגיה רבה, שנאים אלקרו-מגנטיים עבור טרנספורמציית מתח ובידוד, מבדדים אופטיים עבור בידוד חשמלי ודיודות לייזר.

זרמי אדווה בקבלים אלקטרוליטיים, זרמי מערבולת (Eddy Currents) בשנאים, זרימת זרם בנוריות ה-LED‏ במבדדים אופטיים ודיודות לייזר ב-LIDAR הם מבין מקורות החום הפוטנציאליים בהתקנים אלה. ניטור טמפרטורה יכול לעזור בכל המקרים האלה כדי לשפר בטיחות, ביצועים ואמינות.

גישות תרמיסטור PTC קונבנציונליות‏

ניטור טמפרטורה הוא הצעד הקריטי הראשון בהגנה תרמית. לאחר שזוהה מצב טמפרטורת-יתר, ניתן לנקוט בפעולות מתקנות. תרמיסטורי PTC‏ משמשים לרוב כדי לנטר טמפרטורות על‏ לוח מעגל מודפס. תרמיסטור PTC חווה עלייה בהתנגדות החשמלית עם עליית הטמפרטורה שלו. תכני תרמיסטור PTC הם ממוטבים במיוחד עבור פונקציות ספציפיות כמו זרם-יתר, הגנת קצר וניטור טמפרטורה. תרמיסטורי PTC‏ לניטור טמפרטורה עשויים מקרמיקה מוליכה-למחצה עם מקדם‏ טמפרטורה גבוה. הם בעלי ערכי התנגדות נמוכים יחסית בטמפרטורת החדר, אך ההתנגדות שלהם עולה במהירות כשמחממים אותם מעל טמפרטורת ה-Curie‏ שלהם.

תרמיסטורי PTC יכולים לשמש בנפרד לניטור התקן מסוים, כמו‏ GPU, או מספר תרמיסטורים בטור כדי לנטר קבוצת‏ התקנים רחבה יותר, כמו טרנזיסטורי ה-MOSFET‏ ב-POL. ישנן מספר דרכים לממש ניטור טמפרטורה על ידי שימוש בתרמיסטורי PTC‏. שתי שיטות נפוצות הן השימוש ב-IC‏ חיישן או בטרנזיסטורים בדידים כדי לנטר את ההתנגדות של‏ תרמיסטורי ה-PTC‏ (איור 1‏).

איור 1: שתי סכמות ניטור טמפרטורה נפוצות עם‏ תרמיסטורי PTC מערבות ICs ממשק חיישן (שמאל) ופתרונות של טרנזיסטורים בדידים (ימין). (מקור תמונה: Toshiba)

בשני המקרים, לשרשרת תרמיסטורי PTC יש חיבור יחיד ל-MCU המארח. ישנן מספר פשרות בין גישות אלו:

• מספר רכיבים: פתרון ה-IC משתמש בשלושה רכיבים, בהשוואה לששת ההתקנים הדרושים בגישת הטרנזיסטורים
• שטח הרכבה: מאחר ומשתמש בפחות רכיבים, פתרון ה-IC דורש פחות שטח של לוח מעגל מודפס
• דיוק: שתי הגישות רגישות לשינויים במתח האספקה, אך גישת הטרנזיסטורים רגישה גם לשינויים ‏במאפייני הטרנזיסטורים עם העלייה בטמפרטורה שלהם. בסך הכל, גישת IC יכולה לספק דיוק טוב יותר
• עלות: גישת הטרנזיסטורים משתמשת בהתקנים לא יקרים, שיכול לספק‏ יתרון של עלות בהשוואה לגישת ה-IC

ICs חיישן ו-Thermoflagger

ניתן להשתמש ב-ICs רבים של חישת טמפרטורה במקום בתרמיסטורי PTC. מעגלים-משולבים של חישת טמפרטורה מודדים את טמפרטורת פיסת-הסיליקון כדי להעריך את הטמפרטורה של לוח המעגל המודפס.‏ ככל שההתנגדות התרמית בין לוח המעגל המודפס וה-IC נמוכה יותר, כך הערכת הטמפרטורה טובה יותר. כשמורכבים נכון על לוח המעגל המודפס, ICs של חישת טמפרטורה יכולים לספק מדידות מדויקות ביותר. שני גורמים מגבילים של השימוש ב-ICs של חישת טמפרטורה ‏הם שיש למקם IC בכל נקודה בה יש צורך למדוד טמפרטורה, וכל IC דורש חיבור ייעודי ל-MCU המארח.

Thermoflagger מבית Toshiba‏ מספק‏ אופציה רביעית. על ידי שימוש ב-Thermoflagger, ניתן לממש מעגלים מודדי טמפרטורה עם רכיב נוסף אחד בלבד, בהשוואה לשימוש ב-ICs של חישת טמפרטורה. במקום חיבורים מרובים ל-MCU המארח, פתרון ה-Thermoflagger דורש חיבור יחיד בלבד ל-MCU, דבר המאפשר את השימוש בתרמיסטורי PTC לא יקרים עבור ניטור בו-זמני של מקומות רבים (איור 2‏).

איור 2‏: ניטור IC חיישן טמפרטורה דורש בדרך כלל IC בכל מקור חום פוטנציאלי וחיבור ל-MCU של כל IC חיישן (שמאל); פתרון Thermoflagger ותרמיסטורי PTC רבים הוא בעל חיבור יחיד ל-MCU (ימין). (מקור תמונה: Toshiba)

סיבות נוספות לשקול שימוש ב-Thermoflagger כוללות:

• הוא תופס פחות שטח לוח מעגל מודפס בהשוואה לפתרונות אחרים
• אינו מושפע על ידי שינויי מתח של אספקת הכוח
• ניתן להשתמש בו למימוש ניטור טמפרטורה יתיר פשוט

כיצד נראה פתרון Thermoflagger?

Thermoflagger מספק זרם נמוך קבוע לתרמיסטורי ה-PTC המחוברים ומנטר את התנגדותם. הוא יכול לנטר תרמיסטור PTC יחיד או שרשרת של תרמיסטורי PTC.‏ בטמפרטורה‏ גבוהה יותר, תלוי בתרמיסטור ה-PTC המסוים המנוטר, ההתנגדות של תרמיסטור PTC‏ עולה במהירות ו-Thermoflagger מזהה את העלייה בהתנגדות. רכיבי Thermoflagger עם זרמים קבועים שונים, כמו 1 או ‏10 מיקרו-אמפר (µA‏), מארחים מגוון תרמיסטורי‏ PTC‏. עם‏ צריכת זרם של‏ 11.3‎ μA‏, ה-Thermoflagger‏ מתוכנן לאפשר ניטור בהספק-נמוך.

טמפרטורת ערור הזיהוי נקבעת על ידי תרמיסטור ה-PTC המסוים בו משתמשים וניתן לשנותה על ידי החלפתו באחד שונה. במקרה של טמפרטורת-יתר, ה-Thermoflagger מזהה את ההתנגדות המוגדלת בתרמיסטור ה-PTC וגורם לשינוי ביציאת ה-PTCGOOD כדי להתריע בפני ה-MCU (איור 3‏).

איור 3: Thermoflagger חש בעליה‏ בהתנגדות של‏ ‏תרמיסטור PTC מחומם‏ (למטה), בהשוואה להתנגדויות הנמוכות הקשורות לטמפרטורות עבודה נורמליות (למעלה). (מקור תמונה: Toshiba)

כיצד עובד Thermoflagger

Thermoflagger‏ הוא IC אנלוגי מדויק עם יציאה ממוטבת עבור חיבור ל-MCU מארח. התאור הבא של פעולתו מתייחס למספרים באיור 4 להלן:

1. זרם קבוע‏ מסופק מהדק ה-PTCO‏ ומומר למתח על ידי שימוש בהתנגדות של תרמיסטור PTC מחובר אחד או יותר. זהו מקור הזרם הקבוע הפנימי שעושה פתרון Thermoflagger לאדיש לשינויי מתח-אספקה, מבדל משמעותי בהשוואה לטכניקות ניטור טמפרטורה אחרות. אם תרמיסטור PTC‏ מתחמם והתנגדותו גדלה משמעותית, מתח ה-PTCO‏ גדל למתח האספקה (V_DD). מתח ה-PTCO‏ גדל ל-V_DD גם אם הדק ה-PTCO פתוח.
2. אם מתח ה-PTCO‏ עולה מעל מתח הגילוי, היציאה של המשוון מתהפכת ושולחת יציאה‏ ‘נמוכה’. דיוק היציאה של ה-PTCO הוא ‏‎±8%.
3. מעגלים-משולבים Thermoflagger זמינים עם שני פורמטים של יציאה: שפך-פתוח (open-drain) ו-Push-Pull. יציאות שפך-פתוח (open-drain) דורשות נגד מושך-מעלה. אין צורך בנגד עבור יציאות Push-Pull.
4. אחרי שיציאת המשוון מתהפכת, היא ננעלת‏ (בהנחה שה-Thermoflagger כולל את פונקציית הנעילה האופציונלית) כדי למנוע מהיציאה להשתנות בשל ירידה בטמפרטורה של תרמיסטור ה-PTC.
5. הנעילה נפתחת על ידי החלת אות לפין ה-RESET.

איור 4: דיאגרמת מלבנים המציגה את הפונקציות העיקריות של‏ Thermoflagger,‏ IC אנלוגי מדויק עם יציאה ממוטבת עבור חיבור ל-MCU מארח. (מקור תמונה: Toshiba)

שיקולי יישום

פתרונות Thermoflagger יכולים להיות שימושיים במיוחד עבור ניטור טרנזיסטורי MOSFET‏ או מייצבי LDO במעגלי אספקת כוח למעגלים-משולבים גדולים כמו מערכות על שבב (SoCs‏) ולמעגלי דוחף מנוע במערכות תעשייתיות ועבור צרכנים. יישומים אופייניים כוללים מחשבים ניידים (איור 5‏), שואבי אבק רובוטיים, מכשירי חשמל ביתיים, מדפסות, כלי עבודה מוזני-סוללה, התקנים לבישים והתקנים דומים. דוגמאות של‏ Thermoflagger ICs כוללות:

1. TCTH021BE עם זרם יציאה PTCO של µA‏ 10‏‏ ויציאת‏ שפך-פתוח (open-drain) לא-ננעלת
2. TCTH022BE עם זרם יציאה PTCO של µA‏ 10‏‏ ויציאת‏ שפך-פתוח (open-drain) ננעלת
3. TCTH021AE עם זרם יציאה PTCO של µA‏ 10‏‏ ויציאת‏ Push-Pull‏ ננעלת

איור 5‏: מוצג מימוש Thermoflagger אופייני במחשב נייד. (מקור תמונה: Toshiba)

בדומה לכל ה-ICs המדויקים, ל-Thermoflagger יש שיקולי אינטגרציה במערכת ספציפיים, כולל:

• המתח המיושם בפין ה-PTCO‏ שלא יעלה על V‏ 1‏
• על ה-Thermoflagger להיות מוגן מפני רעשי מערכת כדי להבטיח עבודה אמינה של המשוון הפנימי.
• ה-Thermoflagger IC ותרמיסטורי ה-PTC חייבים להיות ממוקמים במרחקים גדולים מספיק כדי למנוע מעבר חום דרך לוח המעגל המודפס ל-Thermoflagger IC
• קבל ניתוק (decoupling capacitor) ממוקם בין V_DD ו-GND יעזור להבטיח עבודה יציבה
• כל פיני ה-GND חייבים להיות מחוברים לארקת המערכת

יתירות פשוטה

מערכות מסוימות יכולות להפיק תועלת מניטור טמפרטורה יתיר. זה יכול להיות נכון במיוחד אם מנוטר IC יקר ‏או אם מעורבת‏ פונקציה קריטית. הפשטות וגודל הפתרון הקטן של‏ Thermoflagger מקלים על אינטגרציה של שכבה נוספת של ניטור ‏טמפרטורה, וכתוצאה מכך מקבלים מערכת ניטור ‏טמפרטורה איתנה ואמינה (איור 6‏).

איור 6‏: Thermoflagger יכול להוסיף‏ שכבה או יתירות (ימין) לפתרון‏ ניטור טמפרטורה בסיסי המבוסס על ICs מנטרי טמפרטורה (שמאל). (מקור תמונה: Toshiba)

סיכום

כדי להבטיח ביצועי מערכת אמינים, מתכננים חייבים לנטר חום חריג. קיימות מספר אפשרויות ניטור חום, כולל ICs של חישת טמפרטורה ותרמיסטורי PTC. אופציה‏ חדשה יותר היא‏ Thermoflagger של Toshiba, שמספק יתרונות רבים, כולל השימוש בתרמיסטורי PTC זולים‏ רבים,‏ חתימת-שטח קטנה יותר, מספר רכיבים קטן יותר,‏ חיבור יחיד ל-MCU, חסינות לתנודות ספק-כוח והאופציה לממש ניטור טמפרטורה יתיר פשוט.