Une nouvelle approche pour la mise en œuvre d'une surveillance de la température précise, compacte et basse consommation

La chaleur peut présenter des défis pour les concepteurs de la plupart des systèmes électroniques, tels que les dispositifs corporels, les produits blancs, les équipements médicaux et les équipements industriels. Une accumulation de chaleur non détectée peut s'avérer particulièrement problématique. Pour éviter un tel problème, plusieurs options sont disponibles pour détecter la chaleur, notamment des circuits intégrés de détection de la température et des thermistances à coefficient de température positif (CTP). Cependant, ces options ont leurs limites. Chaque option de détection utilise plusieurs composants, requiert une connexion dédiée au microcontrôleur (MCU) hôte, occupe un espace carte précieux, prend du temps à concevoir et a une précision limitée.

Il existe toutefois une nouvelle possibilité pour les développeurs. Des circuits intégrés ont été développés pour être utilisés avec plusieurs thermistances CTP, permettant à un seul circuit intégré d'effectuer une détection précise de la surchauffe avec une seule connexion au microcontrôleur hôte. Pour offrir une haute flexibilité de conception, ces circuits intégrés sélectionnent des courants de sortie pour prendre en charge diverses thermistances CTP. Ils sont disponibles avec un choix d'interfaces de microcontrôleur et peuvent inclure une fonction de verrouillage. Ils sont fournis en boîtier SOT-553 miniature de 1,6 millimètre (mm) x 1,6 mm x 0,55 mm et ont une consommation de courant de 11,3 microampères (μA), permettant ainsi des solutions compactes et basse consommation.

Cet article passe en revue les sources de chaleur d'un système électronique et examine certaines solutions de surveillance de la température utilisant des thermistances CTP combinées à des circuits intégrés de détection ou à des transistors discrets. Il compare également ces solutions avec des circuits intégrés de mesure de température. L'article présente et explique comment appliquer les circuits intégrés de Toshiba qui illustrent l'utilisation d'une protection thermique basse consommation rentable.

Sources de chaleur

La chaleur générée par les composants électroniques a un impact négatif sur la sécurité de l'utilisateur et sur le fonctionnement du dispositif/système. Les grands circuits intégrés tels que les processeurs (CPU), les processeurs graphiques (GPU), les circuits intégrés à application spécifique (ASIC), les réseaux de portes programmables par l'utilisateur (FPGA) et les processeurs de signaux numériques (DSP) peuvent produire des quantités importantes de chaleur. Ils doivent être protégés, mais ce ne sont pas les seuls dispositifs à devoir être surveillés pour éviter une chaleur excessive.

Le courant circulant à travers une résistance provoque de la chaleur et, dans le cas des grands circuits intégrés, il existe des milliers, voire des millions de micro-sources de chaleur qui peuvent représenter un défi de taille en matière de gestion thermique. Ces mêmes circuits intégrés nécessitent souvent une régulation de tension précise directement adjacente à leurs broches d'alimentation. Cela peut nécessiter des convertisseurs CC/CC de point de charge (POL) multiphases ou des régulateurs linéaires à faible chute de tension (LDO). Les résistances à l'état passant des MOSFET de puissance dans les POL et les transistors ballasts dans les LDO peuvent provoquer une surchauffe des dispositifs, réduisant la précision de la régulation de tension et compromettant les performances du système.

Ce ne sont pas seulement les POL et les LDO qui génèrent de la chaleur. La chaleur doit être surveillée et gérée dans une série de systèmes, notamment les alimentations CA/CC, les entraînements de moteur, les systèmes d'alimentation secourue, les onduleurs solaires, les transmissions de véhicules électriques (VE), les amplificateurs radiofréquences (RF), ainsi que les systèmes de télédétection par laser (LiDAR). Ces systèmes peuvent inclure des condensateurs électrolytiques pour le stockage d'énergie de masse, des transformateurs électromagnétiques pour la transformation et l'isolement de tension, des photocoupleurs pour l'isolation électrique et des diodes laser.

Les courants ondulés dans les condensateurs électrolytiques, les courants de Foucault dans les transformateurs, le flux de courant dans les LED des photocoupleurs et les diodes laser dans les LiDAR font partie des sources de chaleur potentielles de ces dispositifs. La surveillance de la température peut aider dans tous ces cas à améliorer la sécurité, les performances et la fiabilité.

Approches des thermistance CTP conventionnelles

La surveillance de la température est la première étape cruciale de la protection thermique. Une fois qu'une condition de surchauffe a été identifiée, des mesures correctives peuvent être prises. Les thermistances CTP sont souvent utilisées pour surveiller les températures sur une carte à circuit imprimé. Une thermistance CTP connaît une augmentation de la résistivité électrique à mesure que sa température augmente. Les conceptions de thermistances CTP sont optimisées pour des fonctions spécifiques telles que la protection contre les surintensités et les courts-circuits, et la surveillance de la température. Les thermistances CTP destinées à la surveillance de la température sont fabriquées à partir de céramiques semi-conductrices avec un coefficient de température élevé. Elles ont des valeurs de résistance relativement faibles à température ambiante, mais leur résistance augmente rapidement lorsqu'elles sont chauffées au-delà de leur température de Curie.

Les thermistances CTP peuvent être utilisées individuellement pour surveiller un dispositif spécifique, comme un processeur graphique, ou plusieurs thermistances peuvent être utilisées en série pour surveiller un groupe plus large de dispositifs, comme les MOSFET dans un POL. Il existe plusieurs façons de mettre en œuvre la surveillance de la température à l'aide de thermistances CTP. Deux méthodes courantes consistent à utiliser un circuit intégré de capteur ou des transistors discrets pour surveiller la résistance des thermistances CTP (Figure 1).

Figure 1 : Deux schémas courants de surveillance de la température avec des thermistances CTP impliquent des circuits intégrés d'interface de capteur (à gauche) et des solutions à transistors discrets (à droite). (Source de l'image : Toshiba)

Dans les deux cas, il existe une seule connexion au microcontrôleur hôte pour une chaîne de thermistances CTP. Il existe plusieurs compromis entre ces approches :

• Nombre de composants : La solution de circuit intégré utilise trois composants, par rapport aux six dispositifs nécessaires avec l'approche à transistors
• Surface de montage : Étant donné qu'elle utilise moins de composants, la solution de circuit intégré nécessite moins d'espace carte
• Précision : Les deux approches sont sensibles aux changements de la tension d'alimentation, mais l'approche à transistors est également sensible aux changements des caractéristiques des transistors à mesure que leur température augmente. Globalement, l'approche de circuit intégré peut fournir une meilleure précision
• Coût : L'approche à transistors utilise des dispositifs peu coûteux, ce qui peut offrir un avantage en termes de coût par rapport à l'approche de circuit intégré

Circuits intégrés de capteurs et Thermoflagger

Plusieurs circuits intégrés de détection de la température peuvent être utilisés à la place des thermistances CTP. Les circuits intégrés de détection de la température mesurent la température de leur puce pour estimer la température du circuit imprimé. Plus la résistance thermique entre le circuit imprimé et le circuit intégré est faible, plus l'estimation de la température est précise. Lorsqu'ils sont correctement montés sur le circuit imprimé, les circuits intégrés de détection de température peuvent fournir des mesures très précises. Les deux facteurs limitants de l'utilisation de circuits intégrés de détection de la température sont qu'un circuit intégré doit être placé à chaque point où la température doit être mesurée, et que chaque circuit intégré requiert une connexion dédiée au microcontrôleur hôte.

Le Thermoflagger de Toshiba fournit une quatrième option. Grâce au Thermoflagger, les circuits de mesure de la température peuvent être mis en œuvre avec un seul composant supplémentaire, par rapport à l'utilisation de circuits intégrés de mesure de la température. Au lieu d'avoir de multiples connexions au microcontrôleur hôte, la solution Thermoflagger ne requiert qu'une seule connexion au microcontrôleur, permettant l'utilisation de thermistances CTP peu coûteuses pour la surveillance simultanée de plusieurs emplacements (Figure 2).

Figure 2 : La surveillance du circuit intégré de capteur de température nécessite généralement un circuit intégré à chaque source de chaleur potentielle et une connexion au microcontrôleur pour chaque circuit intégré de capteur (à gauche). Une solution Thermoflagger avec plusieurs thermistances CTP ne requiert qu'une seule connexion au microcontrôleur (à droite). (Source de l'image : Toshiba)

Les autres raisons en faveur de l'utilisation de Thermoflagger incluent les suivantes :

• Il occupe moins d'espace sur le circuit imprimé par rapport à d'autres solutions
• Il n'est pas affecté par les variations de la tension d'alimentation.
• Il peut être utilisé pour mettre en œuvre une simple surveillance redondante de la température

À quoi ressemble une solution Thermoflagger ?

Le Thermoflagger fournit un petit courant constant aux thermistances CTP connectées et surveille leur résistance. Il peut surveiller une thermistance CTP individuelle ou une chaîne de thermistances CTP. À une température élevée, en fonction de la thermistance CTP spécifique surveillée, la résistance d'une thermistance CTP augmente rapidement et le Thermoflagger détecte l'augmentation de la résistance. Les dispositifs Thermoflagger avec différents courants constants, comme 1 µA ou 10 µA, s'adaptent à une variété de thermistances CTP. Avec une consommation de courant de 11,3 μA, le Thermoflagger est conçu pour permettre une surveillance basse consommation.

La température de déclenchement de la détection est déterminée par la thermistance CTP spécifique utilisée et peut être modifiée en la remplaçant par une autre. En cas de surchauffe, le Thermoflagger détecte l'augmentation de la résistance dans la thermistance CTP et déclenche une modification de la sortie PTCGOOD pour alerter le microcontrôleur (Figure 3).

Figure 3 : Le Thermoflagger détecte l'augmentation de la résistance d'une thermistance CTP chauffée (en bas), par rapport aux faibles résistances associées aux températures de fonctionnement normales (en haut). (Source de l'image : Toshiba)

Fonctionnement du Thermoflagger

Le Thermoflagger est un circuit intégré analogique de précision avec une sortie optimisée pour la connexion à un microcontrôleur hôte. La description suivante de son fonctionnement fait référence aux numéros de la Figure 4 ci-dessous :

1. Un courant constant est fourni depuis la borne PTCO et converti en tension à l'aide de la résistance d'une ou plusieurs thermistances CTP connectées. C'est la source de courant constant interne qui rend une solution Thermoflagger non sensible aux variations de la tension d'alimentation, constituant un différenciateur significatif par rapport aux autres techniques de surveillance de la température. Si une thermistance CTP chauffe et présente une augmentation substantielle de sa résistance, la tension PTCO augmente jusqu'à la tension d'alimentation (V_DD). La tension PTCO augmente également jusqu'à V_DD si la borne PTCO est ouverte.
2. Si la tension PTCO dépasse la tension de détection, la sortie du comparateur s'inverse et envoie une sortie « basse ». La précision de sortie PTCO est de ±8 %.
3. Les circuits intégrés Thermoflagger sont disponibles avec deux formats de sortie : drain ouvert et push-pull. Les sorties à drain ouvert requièrent une résistance d'excursion haute. Aucune résistance n'est nécessaire pour les sorties push-pull.
4. Une fois la sortie du comparateur inversée, elle est verrouillée (en supposant que le Thermoflagger inclut la fonction de verrouillage en option) pour empêcher la sortie de changer en raison d'une baisse de température de la thermistance CTP.
5. Le verrouillage est supprimé en appliquant un signal à la broche RESET.

Figure 4 : Schéma fonctionnel illustrant les fonctions clés du Thermoflagger, un circuit intégré analogique de précision avec une sortie optimisée pour la connexion à un microcontrôleur hôte. (Source de l'image : Toshiba)

Considérations d'application

Les solutions Thermoflagger peuvent être particulièrement utiles pour surveiller les MOSFET ou les LDO dans les circuits d'alimentation pour les grands circuits intégrés tels que les systèmes sur puce (SoC) et pour les circuits de commande de moteur dans les systèmes industriels et grand public. Les applications typiques incluent les ordinateurs portables (Figure 5), les robots aspirateurs, les produits blancs, les imprimantes, les outils à main alimentés par batterie, les dispositifs corporels et les dispositifs similaires. Les exemples de circuits intégrés Thermoflagger incluent les suivants :

1. TCTH021BE avec un courant de sortie PTCO de 10 µA et une sortie à drain ouvert sans verrouillage
2. TCTH022BE avec un courant de sortie PTCO de 10 µA et une sortie à drain ouvert à verrouillage
3. TCTH021AE avec un courant de sortie PTCO de 10 µA et une sortie push-pull à verrouillage

Figure 5 : Implémentation typique du Thermoflagger dans un ordinateur portable. (Source de l'image : Toshiba)

Comme tous les circuits intégrés de précision, le Thermoflagger présente des considérations spécifiques en matière d'intégration système, notamment :

• La tension appliquée à la broche PTCO ne doit pas dépasser 1 V
• Le Thermoflagger doit être protégé contre le bruit du système pour garantir un fonctionnement fiable du comparateur interne
• Le circuit intégré Thermoflagger et les thermistances CTP doivent être suffisamment espacés pour empêcher la chaleur d'être transmise au circuit intégré Thermoflagger à travers le circuit imprimé
• Un condensateur de découplage placé entre V_DD et GND contribue à assurer un fonctionnement stable
• Toutes les broches GND doivent être connectées à la terre du système

Redondance simple

Certains systèmes peuvent bénéficier d'une surveillance de la température redondante. C'est notamment important lorsqu'un circuit intégré coûteux est surveillé ou lorsqu'une fonction critique est impliquée. La simplicité et la petite taille de la solution Thermoflagger facilitent l'intégration d'une couche supplémentaire de surveillance de la température, résultant en un système de surveillance de la température robuste et fiable (Figure 6).

Figure 6 : Le Thermoflagger peut ajouter une couche ou une redondance (à droite) à une solution de surveillance de la température basique reposant sur des circuits intégrés de surveillance de la température (à gauche). (Source de l'image : Toshiba)

Conclusion

Pour garantir des performances systèmes fiables, les concepteurs doivent surveiller l'excès de chaleur. Plusieurs options de surveillance de la chaleur sont disponibles, notamment des circuits intégrés de détection de la température et des thermistances CTP. Une option plus récente est le Thermoflagger de Toshiba, qui offre de nombreux avantages, notamment l'utilisation de plusieurs thermistances CTP à faible coût, une empreinte réduite, un nombre de composants inférieur, une connexion unique au microcontrôleur, l'immunité aux fluctuations de l'alimentation et la possibilité de mettre en œuvre une surveillance de la température redondante simple.