Uma novidade para implementar um monitoramento de temperatura preciso, compacto e de baixa potência

O calor pode apresentar desafios para os projetistas de quase todos os sistemas eletrônicos, como vestíveis, produtos da linha branca, equipamentos médicos e equipamentos industriais. O acúmulo de calor despercebido pode ser especialmente problemático. Para evitar esse problema, há várias opções disponíveis para detectar o calor, incluindo CIs sensores de temperatura e termistores de coeficiente positivo de temperatura (PTC). No entanto, eles têm suas limitações. Cada opção de detecção usa vários componentes, requer uma conexão dedicada à unidade de microcontrolador (MCU) host, ocupa um espaço valioso na placa, leva tempo para ser projetada e tem precisão limitada.

Dito isso, os projetistas têm uma nova opção. Foram desenvolvidos CIs para uso com vários termistores PTC que permitem que um único CI execute a detecção precisa de temperatura excessiva com uma conexão à MCU host. Para oferecer altos níveis de flexibilidade de projeto, esses CIs selecionam as correntes de saída para suportar vários termistores PTC. Eles estão disponíveis com uma variedade de interfaces MCU e podem incluir uma função Latch, i.e., de bloqueio. Eles são fornecidos em um minúsculo invólucro SOT-553 de 1,6 x 1,6 x 0,55 milímetros (mm) e têm um consumo de corrente de 11,3 microamperes (μA), permitindo assim soluções compactas e de baixo consumo de energia.

Este artigo analisa as fontes de calor em um sistema eletrônico e examina algumas soluções de monitoramento de temperatura usando termistores PTC combinados com CIs de detecção ou transistores discretos. Ele também compara essas soluções com CIs de medição de temperatura. O artigo apresenta e explica como aplicar os CIs da Toshiba que exemplificam a proteção térmica econômica e de baixo consumo de energia.

Fontes de calor

O calor gerado pelos componentes eletrônicos afeta negativamente a segurança do usuário e a operação do dispositivo/sistema. CIs grandes, como unidades centrais de processamento (CPUs), unidades de processamento gráfico (GPUs), CIs de aplicações específicas (ASICs), matrizes de portas programáveis em campo (FPGAs) e processadores de sinais digitais (DSPs) podem produzir quantidades substanciais de calor. Eles precisam de proteção, mas não são os únicos dispositivos que devem ser monitorados quanto ao calor excessivo.

A corrente que flui através de uma resistência causa calor e, no caso de CIs grandes, há milhares ou milhões de microfontes de calor que podem se transformar em um grande desafio de gerenciamento térmico. Esses mesmos CIs geralmente precisam de regulagem precisa da tensão diretamente adjacente aos seus pinos de alimentação. Isso pode exigir conversores CC-CC multifásicos de ponto de carga (POL) ou reguladores lineares de baixa queda de tensão (LDO). As resistências de saturação dos MOSFETs de potência em POLs e dos transistores de passagem em LDOs podem causar o superaquecimento dos dispositivos, reduzindo a precisão da regulagem de tensão e comprometendo o desempenho do sistema.

Não são apenas os POLs e LDOs que geram calor. O calor precisa ser monitorado e gerenciado em vários sistemas, incluindo fontes de alimentação CA-CC, acionamentos de motor, sistemas de alimentação ininterrupta, inversores solares, trens de força de veículos elétricos (EV), amplificadores de radiofrequência (RF) e sistemas LiDAR (light detection and ranging). Esses sistemas podem incluir capacitores eletrolíticos para armazenamento de energia em massa, transformadores eletromagnéticos para transformação e isolação de tensão, optoisoladores para isolação elétrica e diodos laser.

As correntes de ondulação em capacitores eletrolíticos, as correntes de Foucault em transformadores, o fluxo de corrente no LED em optoisoladores e os diodos laser em LiDAR estão entre as possíveis fontes de calor nesses dispositivos. O monitoramento da temperatura pode ajudar em todos esses casos a melhorar a segurança, o desempenho e a confiabilidade.

Abordagens convencionais do termistor PTC

Monitorar a temperatura é a primeira etapa fundamental da proteção térmica. Uma vez identificada uma condição de temperatura excessiva, é possível tomar medidas corretivas. Os termistores PTC são frequentemente usados para monitorar as temperaturas em uma placa de circuito impresso. Um termistor PTC apresenta um aumento na resistividade elétrica à medida que sua temperatura aumenta. Os projetos de termistores PTC são otimizados para funções específicas, como sobrecorrente, proteção contra curto-circuito e monitoramento de temperatura. Os termistores PTC de monitoramento de temperatura são fabricados com cerâmicas semicondutoras com alto coeficiente de temperatura. Eles têm valores de resistência relativamente baixos em temperatura ambiente, mas sua resistência aumenta rapidamente quando são aquecidos acima da temperatura de Curie.

Os termistores PTC podem ser usados individualmente para monitorar um dispositivo específico, como uma GPU, ou vários podem ser usados em série para monitorar um grupo maior de dispositivos, como os MOSFETs em um POL. Há várias maneiras de implementar o monitoramento de temperatura usando termistores PTC. Dois métodos comuns são o uso de um CI sensor ou transistores discretos para monitorar a resistência dos termistores PTC (Figura 1).

Figura 1: Dois esquemas comuns de monitoramento de temperatura com termistores PTC envolvem CIs de interface de sensor (esquerda) e soluções de transistor discreto (direita). (Fonte da imagem: Toshiba)

Em ambos os casos, há uma única conexão com a MCU host para uma cadeia de termistores PTC. Há várias vantagens e desvantagens entre essas abordagens:

• Quantidade de componentes: A solução de CI usa três componentes, em comparação com os seis dispositivos necessários com a abordagem de transistor
• Área de montagem: Como usa menos componentes, a solução de CI requer menos área da placa de circuito impresso
• Precisão: Ambas as abordagens são suscetíveis a alterações na tensão de alimentação, mas a abordagem do transistor também é suscetível a alterações nas características do transistor com o aumento da temperatura. Em geral, a abordagem de CI pode proporcionar melhor precisão
• Custo: A abordagem do transistor usa dispositivos de baixo custo, o que pode oferecer uma vantagem de custo em comparação com a abordagem de CI

CIs sensores e Thermoflagger

Vários CIs de detecção de temperatura podem ser usados em vez de termistores PTC. Os CIs sensores de temperatura medem a temperatura de sua pastilha para estimar a temperatura da placa de circuito impresso. Quanto menor for a resistência térmica entre a placa de circuito impresso e o CI, melhor será a estimativa de temperatura. Quando montados corretamente na placa de circuito impresso, os CIs sensores de temperatura podem fornecer medições altamente precisas. Dois fatores limitantes do uso de CIs sensores de temperatura são a necessidade de colocar um CI em cada ponto em que a temperatura precisa ser medida, e cada CI precisa de uma conexão dedicada à MCU host.

O Thermoflagger da Toshiba oferece uma quarta opção. Com o Thermoflagger, os circuitos de medição de temperatura podem ser implementados com apenas um componente adicional, em comparação com o uso de CIs de medição de temperatura. Em vez de ter várias conexões com a MCU host, a solução Thermoflagger requer apenas uma única conexão MCU, permitindo o uso de termistores PTC de baixo custo para o monitoramento simultâneo de vários locais (Figura 2).

Figura 2: O monitoramento do CI sensor de temperatura normalmente requer um CI em cada fonte potencial de calor e uma conexão com a MCU para cada CI sensor (esquerda); uma solução Thermoflagger mais vários termistores PTC tem uma única conexão MCU (direita). (Fonte da imagem: Toshiba)

Outros motivos para considerar o Thermoflagger incluem:

• Ocupa menos área da placa de circuito impresso em comparação com outras soluções
• Ele não é afetado pelas variações de tensão da fonte de alimentação.
• Ele pode ser usado para implementar um monitoramento de temperatura redundante e simples

Qual é a aparência de uma solução Thermoflagger?

O Thermoflagger fornece uma pequena corrente constante aos termistores PTC conectados e monitora sua resistência. Ele pode monitorar um termistor PTC individual ou uma cadeia de termistores PTC. Em uma temperatura elevada, dependendo do termistor PTC específico que está sendo monitorado, a resistência de um termistor PTC aumenta rapidamente e o Thermoflagger detecta o aumento da resistência. Os Thermoflaggers com diferentes correntes constantes, como 1 ou 10 microamperes (µA), acomodam uma variedade de termistores PTC. Com um consumo de corrente de 11,3 μA, o Thermoflagger foi projetado para permitir o monitoramento de baixo consumo de energia.

A temperatura de disparo da detecção é determinada pelo termistor PTC específico usado e pode ser alterada com a substituição por um diferente. Se ocorrer um excesso de temperatura, o Thermoflagger detecta o aumento da resistência no termistor PTC e dispara uma alteração na saída PTCGOOD para alertar a MCU (Figura 3).

Figura 3: O Thermoflagger detecta o aumento da resistência de um termistor PTC aquecido (parte inferior), em comparação com as baixas resistências associadas às temperaturas normais de operação (parte superior). (Fonte da imagem: Toshiba)

Como o Thermoflagger funciona

O Thermoflagger é um CI analógico de precisão com uma saída otimizada para conexão a uma MCU host. A descrição a seguir de sua operação refere-se aos números da Figura 4 abaixo:

1. A corrente constante é fornecida pelo terminal PTCO e convertida em tensão usando a resistência de um ou mais termistores PTC conectados. É a fonte interna de corrente constante que torna a solução Thermoflagger insensível às variações de tensão da alimentação, um diferencial significativo em comparação com outras técnicas de monitoramento de temperatura. Se um termistor PTC for aquecido e tiver um aumento substancial na resistência, a tensão PTCO aumentará até a tensão de alimentação (V_DD). A tensão PTCO também sobe para V_DD se o terminal PTCO estiver aberto.
2. Se a tensão PTCO exceder a tensão de detecção, a saída do comparador inverterá e enviará uma saída "baixa". A precisão da saída PTCO é de ±8%.
3. Os CIs Thermoflagger estão disponíveis com dois formatos de saída: dreno aberto e push-pull. As saídas de dreno aberto exigem um resistor de pull-up. Nenhum resistor é necessário para saídas push-pull.
4. Depois que a saída do comparador é invertida, ela é mantida (supondo que o Thermoflagger inclua a função opcional de bloqueio) para evitar que a saída seja alterada devido a uma queda na temperatura do termistor PTC.
5. O bloqueio é liberado com a aplicação de um sinal ao pino RESET.

Figura 4: Um diagrama de blocos mostrando as principais funções do Thermoflagger, um CI analógico de precisão com uma saída otimizada para conexão a uma MCU host. (Fonte da imagem: Toshiba)

Considerações sobre a aplicação

As soluções Thermoflagger podem ser especialmente úteis para monitorar MOSFETs ou LDOs em circuitos de fonte de alimentação para grandes CIs, como sistemas sobre chip (SoCs), e para circuitos de acionamento de motores em sistemas industriais e de consumo. As aplicações típicas incluem notebooks (Figura 5), robôs do tipo aspiradores de pó, produtos da linha branca, impressoras, ferramentas de mão alimentadas por bateria, dispositivos vestíveis e similares. Exemplos de CIs Thermoflagger incluem:

1. TCTH021BE com uma corrente de saída PTCO de 10 µA e uma saída de dreno aberto sem bloqueio
2. TCTH022BE com uma corrente de saída PTCO de 10 µA e uma saída de dreno aberto com bloqueio
3. TCTH021AE com uma corrente de saída PTCO de 10 µA e uma saída push-pull com bloqueio

Figura 5: É mostrada uma implementação típica do Thermoflagger em um notebook. (Fonte da imagem: Toshiba)

Como todos os CIs de precisão, o Thermoflagger tem considerações específicas sobre a integração do sistema, incluindo:

• A tensão aplicada ao pino PTCO não deve exceder 1 V
• O Thermoflagger deve ser protegido contra o ruído do sistema para garantir a operação confiável do comparador interno
• O CI Thermoflagger e os termistores PTC devem ser espaçados o suficiente para evitar que o calor seja transmitido através da placa de circuito impresso para o CI Thermoflagger
• Um capacitor de desacoplamento colocado entre V_DD e GND ajudará a garantir uma operação estável
• Todos os pinos GND devem ser conectados ao aterramento do sistema

Redundância simples

Alguns sistemas podem se beneficiar do monitoramento redundante da temperatura. Isso pode ser o caso especial de um CI caro que estiver sendo monitorado ou se uma função crítica estiver envolvida. A simplicidade e o tamanho reduzido da solução do Thermoflagger facilitam a integração de uma camada adicional de monitoramento de temperatura, resultando em um sistema de monitoramento de temperatura robusto e confiável (Figura 6).

Figura 6: O Thermoflagger pode adicionar uma camada ou redundância (à direita) a uma solução básica de monitoramento de temperatura baseada em CIs de monitoramento de temperatura (à esquerda). (Fonte da imagem: Toshiba)

Conclusão

Para garantir o desempenho confiável do sistema, os projetistas precisam monitorar o excesso de calor. Várias opções de monitoramento de calor estão disponíveis, incluindo CIs de detecção de temperatura e termistores PTC. Uma opção mais recente é o Thermoflagger da Toshiba, que oferece muitas vantagens, incluindo o uso de vários termistores PTC de baixo custo, uma pegada menor, menor quantidade de componentes, uma única conexão com a MCU, imunidade às flutuações da fonte de alimentação e a opção de implementar um monitoramento de temperatura redundante e simples.