作者：Jeff Shepard

　　熱量會給幾乎所有電子系統(tǒng)的設計人員帶來挑戰(zhàn)，例如可穿戴設備、白色家電、醫(yī)療設備和工業(yè)設備。未被注意到的熱量積聚可能會特別麻煩。為了避免此類問題，有多種選項可用于檢測熱量，包括溫度傳感 IC 和正溫度系數 (PTC) 熱敏電阻。然而，這些都有其局限性。每個傳感選項都使用多個組件，需要與主機微控制器單元 (MCU) 的專用連接，占用寶貴的電路板空間，需要時間設計，并且精度有限。

　　也就是說，設計師有了一個新的選擇。 IC 已開發(fā)用于與多個 PTC 熱敏電阻配合使用，使單個 IC 通過與主機 MCU 的一個連接即可執(zhí)行精確的過熱檢測。為了提供高水平的設計靈活性，這些 IC 選擇輸出電流來支持各種 PTC 熱敏電阻。它們可以選擇 MCU 接口，并且可能包含鎖存功能。它們采用微型 1.6 x 1.6 x 0.55 毫米 (mm) SOT-553 封裝，電流消耗為 11.3 微安 (μA)，從而實現緊湊且低功耗的解決方案。

　　本文回顧了電子系統(tǒng)中的熱源，并研究了一些使用 PTC 熱敏電阻與傳感 IC 或分立晶體管相結合的溫度監(jiān)控解決方案。它還將這些解決方案與溫度測量 IC 進行了比較。本文介紹并解釋了如何應用東芝的 IC ，以實現低功耗、經濟高效的熱保護。

　　熱源

　　電子元件產生的熱量會對用戶安全和設備/系統(tǒng)操作產生負面影響。中央處理單元 (CPU)、圖形處理單元 (GPU)、專用 IC (ASIC)、現場可編程門陣列 (FPGA) 和數字信號處理器 (DSP) 等大型 IC 會產生大量熱量。它們需要保護，但它們并不是唯一必須監(jiān)控過熱情況的設備。

　　流經電阻的電流會產生熱量，對于大型 IC，存在數千或數百萬個微熱源，這可能會帶來巨大的熱管理挑戰(zhàn)。這些相同的 IC 通常需要與其電源引腳直接相鄰的精確電壓調節(jié)。這可能需要多相負載點 (POL) DC-DC 轉換器或低壓差 (LDO) 線性穩(wěn)壓器。 POL 中的功率 MOSFET 和 LDO 中的傳輸晶體管的導通電阻可能會導致器件過熱，從而降低電壓調節(jié)精度并影響系統(tǒng)性能。

　　產生熱量的不僅僅是 POL 和 LDO。需要對一系列系統(tǒng)進行熱量監(jiān)控和管理，包括交流-直流電源、電機驅動器、不間斷電源系統(tǒng)、太陽能逆變器、電動汽車 (EV) 傳動系統(tǒng)、射頻 (RF) 放大器以及光檢測和測距(激光雷達)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)可以包括用于大容量能量存儲的電解電容器、用于電壓變換和隔離的電磁變壓器、用于電隔離的光隔離器以及激光二極管。

　　電解電容器中的紋波電流、變壓器中的渦流、光隔離器中 LED 中的電流以及 LiDAR 中的激光二極管都是這些設備中的潛在熱源。在所有這些情況下，溫度監(jiān)控都有助于提高安全性、性能和可靠性。

　　傳統(tǒng) PTC 熱敏電阻方法

　　監(jiān)測溫度是熱保護的關鍵第一步。一旦發(fā)現超溫情況，就可以采取補救措施。 PTC 熱敏電阻通常用于監(jiān)控印刷電路板上的溫度。 PTC 熱敏電阻的電阻率隨著溫度升高而增加。 PTC 熱敏電阻設計針對過流、短路保護和溫度監(jiān)控等特定功能進行了優(yōu)化。溫度監(jiān)控 PTC 熱敏電阻采用高溫度系數的半導體陶瓷制成。它們在室溫下具有相對較低的電阻值，但當它們被加熱到居里溫度以上時，它們的電阻會迅速上升。

　　PTC 熱敏電阻可以單獨使用來監(jiān)控特定設備(例如 GPU)，也可以串聯使用多個熱敏電阻來監(jiān)控更廣泛的設備組(例如 POL 中的 MOSFET)。使用 PTC 熱敏電阻實現溫度監(jiān)控的方法有多種。兩種常見的方法是使用傳感器 IC 或分立晶體管來監(jiān)測 PTC 熱敏電阻的電阻(圖 1)。

　　圖 1：使用 PTC 熱敏電阻的兩種常見溫度監(jiān)控方案涉及傳感器接口 IC(左)和分立晶體管解決方案(右)。 (圖片來源：東芝)

　　在這兩種情況下，PTC 熱敏電阻鏈都只有一個與主機 MCU 的連接。這些方法之間有幾個權衡：

　　元件數量：IC 解決方案使用三個元件，而晶體管方法則需要六個元件

　　安裝面積：由于使用的元件較少，因此 IC 解決方案需要的印刷電路板面積較小

　　精度：兩種方法都容易受到電源電壓變化的影響，但晶體管方法也容易受到晶體管特性隨著溫度升高而變化的影響?？傮w而言，IC 方法可以提供更好的精度

　　成本：晶體管方法使用廉價的器件，與 IC 方法相比可以提供成本優(yōu)勢

　　傳感器 IC 和 Thermoflaagger

　　可以使用多個溫度傳感 IC 來代替 PTC 熱敏電阻。溫度傳感 IC 測量其芯片溫度以估計印刷電路板的溫度。 PC 板和 IC 之間的熱阻越低，溫度估計就越好。當正確安裝在印刷電路板上時，溫度傳感 IC 可以提供高精度的測量。使用溫度傳感 IC 的兩個限制因素是，必須在每個需要測量溫度的點放置一個 IC，并且每個 IC 都需要與主機 MCU 的專用連接。

　　東芝的Thermoflaagger提供了第四種選擇。與使用溫度測量 IC 相比，使用 Thermoflagger，只需一個附加組件即可實現溫度測量電路。 Thermoflagger 解決方案不需要與主機 MCU 進行多個連接，而是只需要一個 MCU 連接，從而可以使用廉價的 PTC 熱敏電阻來同時監(jiān)控多個位置(圖 2)。

　　圖 2：溫度傳感器 IC 監(jiān)控通常需要在每個潛在熱源處使用一個 IC，并為每個傳感器 IC 連接到 MCU(左); Thermoflagger 加多個 PTC 熱敏電阻解決方案具有單個 MCU 連接(右)。 (圖片來源：東芝)

　　考慮 Thermoflaagger 的更多理由包括：

　　與其他解決方案相比，它占用的印刷電路板面積更少

　　它不受電源電壓變化的影響。

　　可用于實現簡單冗余的溫度監(jiān)控

　　Thermoflaagger 解決方案是什么樣的?

　　Thermoflaagger 向連接的 PTC 熱敏電阻提供小恒定電流并監(jiān)控其電阻。它可以監(jiān)控單個 PTC 熱敏電阻或 PTC 熱敏電阻鏈。在升高的溫度下，根據所監(jiān)控的特定 PTC 熱敏電阻，PTC 熱敏電阻的電阻會迅速上升，Thermoflaagger 會檢測到電阻的增加。具有不同恒定電流(如 1 或 10 微安 (μA))的 Thermoflalager 可容納各種 PTC 熱敏電阻。 Thermoflagger 的電流消耗為 11.3 μA，旨在實現低功耗監(jiān)控。

　　檢測觸發(fā)溫度由所使用的特定 PTC 熱敏電阻決定，并且可以通過更換不同的熱敏電阻來更改。如果發(fā)生過溫，Thermoflaagger 會檢測到 PTC 熱敏電阻中電阻的增加，并觸發(fā) PTCGOOD 輸出的變化以向 MCU 發(fā)出警報(圖 3)。

　　圖 3：Thermoflaagger 檢測到加熱的 PTC 熱敏電阻(底部)的電阻上升，與正常工作溫度相關的低電阻(頂部)相比。 (圖片來源：東芝)

　　Thermoflaagger 的工作原理

　　Thermoflagger 是一款精密模擬 IC，其輸出針對與主機 MCU 的連接進行了優(yōu)化。下面對其操作的描述參考下圖4中的數字：

　　恒定電流由 PTCO 端子提供，并使用一個或多個連接的 PTC 熱敏電阻的電阻轉換為電壓。正是內部恒流源使得 Thermoflaagger 解決方案對電源電壓變化不敏感，這是與其他溫度監(jiān)控技術相比的一個顯著區(qū)別。如果 PTC 熱敏電阻受熱且電阻大幅增加，則 PTCO 電壓將增加至電源電壓 (V DD )。如果 PTCO 端子開路，則PTCO 電壓也會上升至 V DD 。

　　如果 PTCO 電壓超過檢測電壓，比較器的輸出將反轉并發(fā)送“低”輸出。 PTCO 輸出精度為±8%。

　　Thermoflagger IC 有兩種輸出格式：漏極開路和推挽式。開漏輸出需要上拉電阻。推挽輸出不需要電阻。

　　比較器輸出反轉后，會被鎖存(假設 Thermoflaagger 包含可選的鎖存功能)，以防止由于 PTC 熱敏電阻溫度下降而導致輸出變化。

　　通過向 RESET 引腳施加信號來釋放鎖存器。

　　圖 4：顯示 Thermoflagger 關鍵功能的框圖，Thermoflagger 是一種精密模擬 IC，其輸出針對與主機 MCU 的連接進行了優(yōu)化。 (圖片來源：東芝)

　　應用注意事項

　　Thermoflagger 解決方案對于監(jiān)控大型 IC(例如片上系統(tǒng) (SoC))以及工業(yè)和消費系統(tǒng)中的電機驅動電路的電源電路中的 MOSFET 或 LDO 特別有用。典型應用包括筆記本電腦(圖 5)、機器人吸塵器、白色家電、打印機、電池供電的手動工具、可穿戴設備和類似設備。 Thermoflaagger IC 的示例包括：

　　TCTH021BE具有 10 μA PTCO 輸出電流和非鎖存開漏輸出

　　TCTH022BE具有 10 μA PTCO 輸出電流和鎖存開漏輸出

　　TCTH021AE具有 10 μA PTCO 輸出電流和鎖存推挽輸出

　　圖 5：所示為筆記本電腦中的典型 Thermoflagger 實現。 (圖片來源：東芝)

　　與所有精密 IC 一樣，Thermoflaagger 有特定的系統(tǒng)集成考慮因素，包括：

　　施加到 PTCO 引腳的電壓不應超過 1 V

　　應保護 Thermoflaagger 免受系統(tǒng)噪聲影響，以確保內部比較器可靠運行

　　Thermoflagger IC 和 PTC 熱敏電阻應間隔足夠遠，以防止熱量通過印刷電路板傳輸到 Thermoflaagger IC

　　VDD和 GND之間放置去耦電容有助于確保穩(wěn)定運行

　　所有 GND 引腳必須連接到系統(tǒng)接地

　　簡單冗余

　　一些系統(tǒng)可以受益于冗余溫度監(jiān)控。如果正在監(jiān)控昂貴的 IC 或涉及關鍵功能，則尤其如此。 Thermoflagger 的簡單性和較小的解決方案尺寸使其可以輕松集成額外的溫度監(jiān)控層，從而形成強大且可靠的溫度監(jiān)控系統(tǒng)(圖 6)。

　　圖 6：Thermoflagger 可以向基于溫度監(jiān)控 IC(左)的基本溫度監(jiān)控解決方案添加一層或冗余(右)。 (圖片來源：東芝)

　　結論

　　為了確保可靠的系統(tǒng)性能，設計人員需要監(jiān)控多余的熱量。有多種熱量監(jiān)控選項可供選擇，包括溫度傳感 IC 和 PTC 熱敏電阻。一個較新的選擇是東芝的 Thermoflagger，它提供了許多優(yōu)點，包括使用多個低成本 PTC 熱敏電阻、更小的占地面積、更少的組件數量、與 MCU 的單一連接、不受電源波動影響以及實現簡單冗余的選項溫度監(jiān)測。