Präzise und platzsparende Methode
Effektiver Schutz vor Übertemperaturen
Hitze wird in elektronischen Systemen zunehmend zu einer Herausforderung. Es gibt zwar mehrere Möglichkeiten der Temperaturüberwachung wie Temperaturmess-ICs und PTC-Thermistoren. Allerdings haben diese auch Grenzen. Eine neuere Methode stellt der Thermoflagger-Ansatz von Toshiba dar.
Die Überwachung der Temperatur ist der erste wichtige Schritt für ein effektives Wärmemanagement in elektronischen Systemen. Denn erst wenn eine Übertemperatur festgestellt wird, lassen sich die entsprechenden Abhilfemaßnahmen einleiten.
Bei der Temperaturüberwachung auf einer Leiterplatte kommen häufig PTC-Thermistoren zum Einsatz. Bei einem PTC-Thermistor nimmt der elektrische Widerstand mit steigender Temperatur zu. PTC-Thermistoren sind daher für bestimmte Funktionen wie Überstrom- und Kurzschlussschutz sowie Temperaturüberwachung prädestiniert. PTC-Thermistoren zur Überwachung der Temperatur werden aus Halbleiterkeramik mit einem hohen Temperaturkoeffizienten hergestellt. Sie haben bei Raumtemperatur relativ niedrige Widerstandswerte, ihr Widerstand steigt jedoch rasch an, wenn sie über ihre Curie-Temperatur hinaus erwärmt werden.
Temperaturüberwachung mit PTC-Thermistoren
PTC-Thermistoren können einzeln zur Überwachung einer bestimmten Komponente, beispielsweise eines Grafikprozessors, oder in Reihe geschaltet zur Überwachung einer größeren Gruppe von Komponenten, z. B. der MOSFETs in einem POL (Point of Load), zum Einsatz kommen. Es gibt dabei verschiedene Möglichkeiten, die Temperaturüberwachung mit PTC-Thermistoren zu realisieren. Zwei konventionelle Methoden sind die Verwendung eines Sensor-IC oder diskreter Transistoren zur Überwachung des Widerstands der PTC-Thermistoren (Bild 1).
In beiden Fällen gibt es einen einzigen Anschluss an die Host-MCU für eine Kette von PTC-Thermistoren. Daraus ergeben sich folgende Kompromisse zwischen diesen Ansätzen:
- Anzahl der Bauelemente: Der IC-Ansatz kommt mit drei Bauteilen aus, im Vergleich zu den sechs Bauteilen, die für den Transistoransatz benötigt werden.
- Montagefläche: Da weniger Bauteile verwendet werden, benötigt die IC-Methode weniger Fläche auf der Leiterplatte.
- Präzision: Beide Methoden sind anfällig für Änderungen der Versorgungsspannung, aber der Transistoransatz ist auch anfällig für Änderungen der Transistoreigenschaften bei steigender Temperatur. Insgesamt bietet der IC-Ansatz eine höhere Präzision.
- Kosten: Bei der Transistormethode werden kostengünstige Bauelemente verwendet, was einen Kostenvorteil gegenüber der IC-Methode bedeuten kann.
Temperaturüberwachung mit Sensor-ICs
Anstelle von PTC-Thermistoren lassen sich mehrere Temperaturmess-ICs verwenden. Diese messen die Temperatur ihres Chips, um die Temperatur der Leiterplatte abzuschätzen. Je geringer der Wärmewiderstand zwischen der Leiterplatte und dem IC ist, desto besser ist die Temperaturschätzung. Bei korrekter Montage auf der Leiterplatte können die Temperaturmess-ICs hochpräzise Messungen liefern. Es gibt jedoch auch hier zwei einschränkende Faktoren bei der Verwendung von Temperaturmess-ICs: An jedem Punkt, an dem die Temperatur gemessen werden soll, muss ein IC platziert werden. Und jeder IC benötigt eine eigene Verbindung zur Host-MCU. Das macht das Design zum Teil aufwendig und wenig flexibel.
Thermoflagger als Alternative
Der Thermoflagger-Ansatz von Toshiba bietet eine weitere Möglichkeit. Der Thermoflagger ist ein analoger Präzisions-IC mit einem für den Anschluss an eine Host-MCU optimierten Ausgang. Dank der Übertemperaturerkennungs-ICs lassen sich Temperaturmesskreise mit nur einem zusätzlichen Bauteil realisieren, im Vergleich zur Verwendung von Temperaturmess-ICs. Statt mehrerer Verbindungen zur Host-MCU benötigt die Thermoflagger-Methode nur eine einzige MCU-Verbindung, was die Verwendung preiswerter PTC-Thermistoren zur gleichzeitigen Überwachung mehrerer Stellen ermöglicht (Bild 2). Demzufolge ergeben sich gleich mehrere Vorteile. Erstens benötigt der Thermoflagger-Ansatz weniger Platz auf der Leiterplatte als andere Methoden zur Temperaturüberwachung. Zweitens stellen Schwankungen der Versorgungsspannung kein Problem mehr dar. Und drittens lässt sich eine einfache, redundante Temperaturüberwachung problemlos realisieren.
Der Thermoflagger liefert einen kleinen Konstant-Strom an die angeschlossenen PTC-Thermistoren und überwacht deren Widerstand. Er kann einen einzelnen PTC-Thermistor oder eine Kette von PTC-Thermistoren überwachen. Bei einer erhöhten Temperatur steigt der Widerstand eines PTC-Thermistors schnell an, und der Thermoflagger erkennt diesen Anstieg des Widerstands.
Die Thermoflagger sind mit verschiedenen konstanten Strömen wie 1 µA oder 10 µA verfügbar und eignen sich für eine Vielzahl von PTC-Thermistoren. Mit einem Stromverbrauch von 11,3 μA sind sie für eine stromsparende Überwachung ausgelegt.
Die Auslösetemperatur wird durch den verwendeten PTC-Thermistor bestimmt und kann durch einen anderen ersetzt werden. Wenn eine Übertemperatur auftritt, erkennt der Thermoflagger den erhöhten Widerstand des PTC-Thermistors und löst eine Änderung des PTCGood-Ausgangs aus, um die MCU zu alarmieren (Bild 3).
Der Thermoflagger-Ansatz eignet sich besonders für die Überwachung von MOSFETs oder LDOs in Stromversorgungsschaltungen für große ICs wie System-on-Chips (SoCs) und für Motorantriebsschaltungen. Das Anwendungsspektrum ist groß und reicht von Notebooks über Haushaltsgeräte wie Saugroboter bis hin zu Druckern, batteriebetriebenen Werkzeugen und Wearables.
Beispiele für Thermoflagger-ICs von Toshiba sind
- TCTH021BE mit einem PTCO-Ausgangsstrom von 10 µA und einem nicht verriegelnden Open-Drain-Ausgang
- TCTH022BE mit einem PTCO-Ausgangsstrom von 10 µA und einem verriegelnden Open-Drain-Ausgang
- TCTH021AE mit einem PTCO-Ausgangsstrom von 10 µA und einem verriegelnden Push-Pull-Ausgang
Systemintegration
Wie bei allen Präzisions-ICs gibt es auch beim Thermoflagger spezielle Überlegungen zur Systemintegration:
- Die an den PTCO-Pin angelegte Spannung sollte 1 V nicht überschreiten.
- Der Thermoflagger sollte vor Systemstörungen geschützt werden, um einen zuverlässigen Betrieb des internen Komparators zu gewährleisten.
- Der Thermoflagger-IC und die PTC-Thermistoren sollten weit genug voneinander entfernt sein, um zu verhindern, dass die Wärme durch die Leiterplatte auf den Thermoflagger-IC übertragen wird.
- Ein Entkopplungskondensator zwischen VDD und GND trägt zu einem stabilen Betrieb bei.
- Alle GND-Pins müssen mit der Systemmasse verbunden werden.
Einige Systeme können von einer redundanten Temperaturüberwachung profitieren. Dies kann insbesondere dann der Fall sein, wenn ein teurer IC überwacht wird oder wenn eine kritische Funktion betroffen ist. Die Einfachheit und die geringe Größe des Thermoflaggers machen es einfach, eine zusätzliche Ebene der Temperaturüberwachung zu integrieren, was zu einem effektiven Schutz vor Übertemperatur führt.
Fazit
Um eine zuverlässige Systemleistung zu gewährleisten, muss die überschüssige Wärme überwacht werden. Dafür stehen mehrere Optionen zur Wärmeüberwachung zur Verfügung, darunter Temperaturmess-ICs und PTC-Thermistoren. Ein weiterer Ansatz ist der Thermoflagger von Toshiba. Er bietet mehrere Vorteile, darunter die Verwendung mehrerer kostengünstiger PTC-Thermistoren, eine kleinere Grundfläche, eine geringere Anzahl von Bauteilen, einen einzigen Anschluss an die MCU, Unempfindlichkeit gegenüber Schwankungen in der Stromversorgung und die Möglichkeit, eine einfache redundante Temperaturüberwachung zu implementieren.
Funktionsweise des Thermoflaggers
Der Thermoflagger ist ein analoger Präzisions-IC mit einem für den Anschluss an eine Host-MCU optimierten Ausgang. Die nachfolgende Beschreibung der Funktionsweise bezieht sich auf das Blockdiagramm.
(1) Der Konstantstrom wird vom PTCO-Anschluss geliefert und über den Widerstand eines oder mehrerer angeschlossener PTC-Thermistoren in Spannung umgewandelt. Die interne Konstantstromquelle macht einen Thermoflagger unempfindlich gegenüber Schwankungen der Versorgungsspannung, was ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal zu anderen Temperaturüberwachungsmethoden darstellt. Wenn ein PTC-Thermistor erwärmt wird und einen erheblichen Widerstandsanstieg aufweist, steigt die PTCO-Spannung auf die Versorgungsspannung (VDD) an. Die PTCO-Spannung steigt auch auf VDD an, wenn der PTCO-Anschluss offen ist.
(2) Wenn die PTCO-Spannung die Erkennungsspannung überschreitet, invertiert der Ausgang des Komparators und sendet ein »Low«-Signal. Die Genauigkeit des PTCO-Ausgangs beträgt ±8 Prozent.
(3) Thermoflagger-ICs sind mit zwei Ausgangsformaten erhältlich: Open Drain und Push-Pull. Open-Drain-Ausgänge erfordern einen Pull-up-Widerstand. Für Push-Pull-Ausgänge wird kein Widerstand benötigt.
(4) Nachdem der Komparatorausgang invertiert wurde, wird er verriegelt (vorausgesetzt, der Thermoflagger verfügt über die optionale Haltefunktion), um zu verhindern, dass sich der Ausgang aufgrund eines Temperaturabfalls des PTC-Thermistors ändert.
(5) Die Verriegelung wird durch Anlegen eines Signals an den Reset-Pin aufgehoben.
