实施精确、低功耗、紧凑型温度监测的新方法
作者：jeff shepard
投稿人：digikey 北美编辑
对于可穿戴设备、家用电器、医疗设备和工业设备等几乎所有电子系统的设计人员来说，发热都是一项挑战。不易察觉的热量积聚尤其棘手。为避免出现此类问题，有几种测热方法可供选择，包括温度感应 ic 和正温度系数 (ptc) 热敏电阻。然而，这些方法都有其局限性。每种感测方法都使用多个元器件，而这些元器件需要与主机微控制器单元 (mcu) 的专用连接，占用宝贵的电路板空间，设计耗时，而且精度有限。
不过，设计人员现在有了新的选择。人们开发了可与多个 ptc 热敏电阻配合使用的 ic，使单个 ic 只需与主机 mcu 的一个连接，即可执行精确的超温检测。为了提供高度的设计灵活性，这些 ic 可选择输出电流，以支持各种 ptc 热敏电阻。它们有多种 mcu 接口可供选择，并可包括闭锁功能。采用 1.6 x 1.6 x 0.55 mm 的微型 sot-553 封装，这些器件的电流消耗为 11.3 μa，从而实现了紧凑型低功耗解决方案。
本文介绍了电子系统中的各种热源，并探讨了一些将 ptc 热敏电阻与感测 ic 或分立式晶体管结合使用的温度监测解决方案。文中还将这些解决方案与温度测量 ic 进行了比较。本文还将介绍并解释如何应用来自 [toshiba]的 ic，这些 ic 是实现低功耗、高成本效益热保护的典范。
热源电子元器件产生的热量会对用户安全和设备/系统运行产生不利影响。中央处理器 (cpu)、图形处理器 (gpu)、专用集成电路 (asic)、现场可编程门阵列 (fpga) 和数字信号处理器 (dsp) 等大型 ic 会产生大量热量。虽然它们需要保护，但还不是仅有的必须监测是否过热的器件。
电流在流经电阻时会产生热量，而在大型 ic 中，有成千上万甚至数百万个微热源，这些微热源积聚在一起，会给热管理带来巨大挑战。这些 ic 通常需要在电源引脚附近直接进行精确的电压调节。这可能需要多相负载点 (pol) dc-dc 转换器或低压差 (ldo) 线性稳压器。pol 中的功率 mosfet 和 ldo 中的传输晶体管的导通电阻可能导致器件过热，从而降低电压调节精度，并影响系统性能。
产生热量的不仅仅是 pol 和 ldo。我们需要对一系列系统上的热量进行监测和管理，包括 ac-dc 电源、电机驱动器、不间断电源系统、太阳能逆变器、电动汽车 (ev) 传动系统、射频 (rf) 放大器，以及光探测和测距 (lidar) 系统。这些系统可能包括用于大量储能的电解电容器、用于电压转换和隔离的电磁互感器、用于电气隔离的光隔离器以及激光二极管。
电解电容器中的纹波电流、变压器中的涡流、光隔离器中 led 的电流，以及 lidar 中的激光二极管，都是这些器件中的潜在热源。在所有这些情况下，温度监测都有助于提高安全性、性能和可靠性。
传统 ptc 热敏电阻方法监测温度是热保护的关键第一步。一旦发现超温情况，就可以采取补救措施。ptc 热敏电阻通常用于监测印刷电路板上的温度。ptc 热敏电阻的电阻率会随着温度的升高而增加。ptc 热敏电阻设计针对过流、短路保护和温度监测等特定功能进行了优化。温度监测 ptc 热敏电阻采用温度系数较高的半导体陶瓷制成。在室温下，它们的电阻值相对较低，但当加热到居里温度以上时，电阻值会迅速上升。
ptc 热敏电阻可单独用于监测特定器件（例如 gpu），也可多个串联用于监测更多器件（例如 pol 中的 mosfet）。使用 ptc 热敏电阻实施温度监测有多种方法。两种常见的方法是使用传感器 ic 或分立式晶体管来监测 ptc 热敏电阻的电阻（图 1）。
图 1：使用 ptc 热敏电阻的两种常见温度监测方案分别采用传感器接口 ic（左）和分立式晶体管解决方案（右）。（图片来源：toshiba）
在这两种情况下，ptc 热敏电阻链与主机 mcu 之间只有单个连接。选择这些方法时，需要在以下几个方面做出权衡取舍：
元器件数：ic 解决方案使用三个元器件，而晶体管方法需要六个器件贴装面积：由于使用的元器件较少，ic 解决方案所需的电路板面积也较小精度：这两种方法都容易受到电源电压变化的影响，但晶体管方法还容易受到温度升高时晶体管特性变化的影响。总体而言，ic 方法可以提供更高的精度成本：晶体管方法使用的器件价格低廉，相比 ic 方法具有成本优势传感器 ic 和 thermoflagger可以使用多个温度感测 ic 代替 ptc 热敏电阻。温度感测 ic 会测量其芯片温度，从而估计印刷电路板的温度。印刷电路板和 ic 之间的热阻越低，温度估计值越准确。只要正确贴装在印刷电路板上，温度感测 ic 就能提供高度精确的测量。使用温度感测 ic 有两个限制因素，第一个是必须在需要测量温度的每个点放置一个 ic，第二个是每个 ic 都需要与主机 mcu 建立专用连接。
toshiba 的 [thermoflagger]提供了第四种选择。与使用温度测量 ic 相比，使用 thermoflagger 只需增加一个元器件，即可实现温度测量电路。thermoflagger 解决方案不需要与主机 mcu 的多个连接，而只需单个 mcu 连接，因而能够使用廉价的 ptc 热敏电阻同时监测多个位置（图 2）。
图 2：温度传感器 ic 监测通常需要在每个潜在热源处使用一个 ic，并为每个传感器 ic 提供 mcu 连接（左）；使用 thermoflagger 和多个 ptc 热敏电阻的解决方案只需单个 mcu 连接（右）。（图片来源：toshiba）
考虑使用 thermoflagger 的更多原因包括：
与其他解决方案相比，它占用的电路板面积更小它不受电源电压变化的影响它可用于实施简单的冗余温度监测thermoflagger 解决方案是什么样的？thermoflagger 为连接的 ptc 热敏电阻提供一个小恒定电流，并监测其电阻。它可以监测单个 ptc 热敏电阻或 ptc 热敏电阻链。温度升高时，根据所监测的特定 ptc 热敏电阻，ptc 热敏电阻的电阻会迅速上升，thermoflagger 会检测到电阻的增加。thermoflagger 具有不同的恒定电流，例如 1 或 10 µa，以适应各种不同的 ptc 热敏电阻。thermoflagger 的电流消耗为 11.3 μa，旨在实现低功耗监测。
检测触发温度取决于使用的特定 ptc 热敏电阻，可通过替换不同的 ptc 热敏电阻进行更改。如果发生超温，thermoflagger 会检测到 ptc 热敏电阻的电阻增大，并触发 ptcgood 输出的变化，向 mcu 发出警报（图 3）。
图 3：与正常工作温度下的低电阻（上图）相比，thermoflagger 感测到加热的 ptc 热敏电阻的电阻上升（下图）。（图片来源：toshiba）
thermoflagger 的工作原理thermoflagger 是一款精密模拟 ic，其输出经过优化，可与主机 mcu 连接。以下对其工作原理的描述引用了下面图 4 中的数据：
恒流由 ptco 端子提供，并利用一个或多个连接的 ptc 热敏电阻的电阻转换为电压。正是内部恒流源使得 thermoflagger 解决方案对电源电压变化不敏感，这是它与其他温度监测技术相比的一大重要优势。如果 ptc 热敏电阻发热，电阻大幅增加，ptco 电压就会增加至电源电压 (v dd )。如果 ptco 端子断开，ptco 电压也会升至 v dd 。如果 ptco 电压超过检测电压，比较器的输出将反转，并且发送“低”输出。ptco 输出精度为 ±8%。thermoflagger ic 有两种输出格式：开漏和推挽。开漏输出需要一个上拉电阻。推挽输出无需电阻器。比较器输出反转之后，它将被闭锁（假设 thermoflagger 包括可选的闭锁功能），以防止输出因 ptc 热敏电阻的温度下降而发生变化。向 reset 引脚施加信号后，锁存器被释放。图 4：显示 thermoflagger 主要功能的框图，thermoflagger 是一种精密模拟 ic，其输出经过优化，可与主机 mcu 连接。（图片来源：toshiba）
应用注意事项thermoflagger 解决方案尤其适用于监测大型 ic （例如片上系统 soc）的电源电路中的 mosfet 或 ldo，以及工业和消费系统中的电机驱动电路。其典型应用包括笔记本电脑（图 5）、机器人真空吸尘器、家用电器、打印机、电池供电的手动工具、可穿戴设备以及类似设备。thermoflagger ic 的例子包括：
[tcth021be]，提供 10 µa 的 ptco 输出电流和非闭锁开漏输出[tcth022be]，提供 10 µa 的 ptco 输出电流和闭锁开漏输出[tcth021ae]，提供 10 µa 的 ptco 输出电流和闭锁推挽输出图 5：笔记本电脑中的典型 thermoflagger 实施。（图片来源：toshiba）
与所有精密 ic 一样，thermoflagger 也有特定的系统集成注意事项，包括：
施加到 ptco 引脚上的电压不应超过 1 v应避免 thermoflagger 受到系统噪声的影响，以确保内部比较器的可靠运行thermoflagger ic 和 ptc 热敏电阻之间应保持足够的间距，以防止热量通过印刷电路板传递到 thermoflagger ic在 vdd和 gnd 之间放置去耦电容器，有助于确保稳定运行所有 gnd 引脚必须连接到系统地线简单冗余一些系统可受益于冗余温度监测。如果监测的是成本昂贵的 ic，或者涉及到关键功能，情况更是如此。thermoflagger 解决方案非常简单，而且体积小巧，因而可以轻松集成更多的温度监测层，从而构建强大可靠的温度监测系统（图 6）。
图 6：thermoflagger 可为基于温度监测 ic（左）的基本温度监测解决方案增加温度监测层或冗余（右）。（图片来源：toshiba）
总结为确保可靠的系统性能，设计人员必须监测过热现象。他们可以采用多个热监测选项，包括温度感测 ic 和 ptc 热敏电阻。toshiba 的 thermoflagger 是一种较新的可选产品，它具备诸多优点，包括使用多个低成本 ptc 热敏电阻、基底面较小、元器件数量较少、与 mcu 只有单个连接、抗电源波动能力强，另外还可实施简单的冗余温度监测。
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不过，设计人员现在有了新的选择。人们开发了可与多个 ptc 热敏电阻配合使用的 ic，使单个 ic 只需与主机 mcu 的一个连接，即可执行精确的超温检测。为了提供高度的设计灵活性，这些 ic 可选择输出电流，以支持各种 ptc 热敏电阻。它们有多种 mcu 接口可供选择，并可包括闭锁功能。采用 1.6 x 1.6 x 0.55 mm 的微型 sot-553 封装，这些器件的电流消耗为 11.3 μa，从而实现了紧凑型低功耗解决方案。
本文介绍了电子系统中的各种热源，并探讨了一些将 ptc 热敏电阻与感测 ic 或分立式晶体管结合使用的温度监测解决方案。文中还将这些解决方案与温度测量 ic 进行了比较。本文还将介绍并解释如何应用来自 [toshiba]的 ic，这些 ic 是实现低功耗、高成本效益热保护的典范。
热源电子元器件产生的热量会对用户安全和设备/系统运行产生不利影响。中央处理器 (cpu)、图形处理器 (gpu)、专用集成电路 (asic)、现场可编程门阵列 (fpga) 和数字信号处理器 (dsp) 等大型 ic 会产生大量热量。虽然它们需要保护，但还不是仅有的必须监测是否过热的器件。
电流在流经电阻时会产生热量，而在大型 ic 中，有成千上万甚至数百万个微热源，这些微热源积聚在一起，会给热管理带来巨大挑战。这些 ic 通常需要在电源引脚附近直接进行精确的电压调节。这可能需要多相负载点 (pol) dc-dc 转换器或低压差 (ldo) 线性稳压器。pol 中的功率 mosfet 和 ldo 中的传输晶体管的导通电阻可能导致器件过热，从而降低电压调节精度，并影响系统性能。
产生热量的不仅仅是 pol 和 ldo。我们需要对一系列系统上的热量进行监测和管理，包括 ac-dc 电源、电机驱动器、不间断电源系统、太阳能逆变器、电动汽车 (ev) 传动系统、射频 (rf) 放大器，以及光探测和测距 (lidar) 系统。这些系统可能包括用于大量储能的电解电容器、用于电压转换和隔离的电磁互感器、用于电气隔离的光隔离器以及激光二极管。
电解电容器中的纹波电流、变压器中的涡流、光隔离器中 led 的电流，以及 lidar 中的激光二极管，都是这些器件中的潜在热源。在所有这些情况下，温度监测都有助于提高安全性、性能和可靠性。
传统 ptc 热敏电阻方法监测温度是热保护的关键第一步。一旦发现超温情况，就可以采取补救措施。ptc 热敏电阻通常用于监测印刷电路板上的温度。ptc 热敏电阻的电阻率会随着温度的升高而增加。ptc 热敏电阻设计针对过流、短路保护和温度监测等特定功能进行了优化。温度监测 ptc 热敏电阻采用温度系数较高的半导体陶瓷制成。在室温下，它们的电阻值相对较低，但当加热到居里温度以上时，电阻值会迅速上升。
ptc 热敏电阻可单独用于监测特定器件（例如 gpu），也可多个串联用于监测更多器件（例如 pol 中的 mosfet）。使用 ptc 热敏电阻实施温度监测有多种方法。两种常见的方法是使用传感器 ic 或分立式晶体管来监测 ptc 热敏电阻的电阻（图 1）。
图 1：使用 ptc 热敏电阻的两种常见温度监测方案分别采用传感器接口 ic（左）和分立式晶体管解决方案（右）。（图片来源：toshiba）
在这两种情况下，ptc 热敏电阻链与主机 mcu 之间只有单个连接。选择这些方法时，需要在以下几个方面做出权衡取舍：
元器件数：ic 解决方案使用三个元器件，而晶体管方法需要六个器件贴装面积：由于使用的元器件较少，ic 解决方案所需的电路板面积也较小精度：这两种方法都容易受到电源电压变化的影响，但晶体管方法还容易受到温度升高时晶体管特性变化的影响。总体而言，ic 方法可以提供更高的精度成本：晶体管方法使用的器件价格低廉，相比 ic 方法具有成本优势传感器 ic 和 thermoflagger可以使用多个温度感测 ic 代替 ptc 热敏电阻。温度感测 ic 会测量其芯片温度，从而估计印刷电路板的温度。印刷电路板和 ic 之间的热阻越低，温度估计值越准确。只要正确贴装在印刷电路板上，温度感测 ic 就能提供高度精确的测量。使用温度感测 ic 有两个限制因素，第一个是必须在需要测量温度的每个点放置一个 ic，第二个是每个 ic 都需要与主机 mcu 建立专用连接。
toshiba 的 [thermoflagger]提供了第四种选择。与使用温度测量 ic 相比，使用 thermoflagger 只需增加一个元器件，即可实现温度测量电路。thermoflagger 解决方案不需要与主机 mcu 的多个连接，而只需单个 mcu 连接，因而能够使用廉价的 ptc 热敏电阻同时监测多个位置（图 2）。
图 2：温度传感器 ic 监测通常需要在每个潜在热源处使用一个 ic，并为每个传感器 ic 提供 mcu 连接（左）；使用 thermoflagger 和多个 ptc 热敏电阻的解决方案只需单个 mcu 连接（右）。（图片来源：toshiba）
考虑使用 thermoflagger 的更多原因包括：
与其他解决方案相比，它占用的电路板面积更小它不受电源电压变化的影响它可用于实施简单的冗余温度监测thermoflagger 解决方案是什么样的？thermoflagger 为连接的 ptc 热敏电阻提供一个小恒定电流，并监测其电阻。它可以监测单个 ptc 热敏电阻或 ptc 热敏电阻链。温度升高时，根据所监测的特定 ptc 热敏电阻，ptc 热敏电阻的电阻会迅速上升，thermoflagger 会检测到电阻的增加。thermoflagger 具有不同的恒定电流，例如 1 或 10 µa，以适应各种不同的 ptc 热敏电阻。thermoflagger 的电流消耗为 11.3 μa，旨在实现低功耗监测。
检测触发温度取决于使用的特定 ptc 热敏电阻，可通过替换不同的 ptc 热敏电阻进行更改。如果发生超温，thermoflagger 会检测到 ptc 热敏电阻的电阻增大，并触发 ptcgood 输出的变化，向 mcu 发出警报（图 3）。
图 3：与正常工作温度下的低电阻（上图）相比，thermoflagger 感测到加热的 ptc 热敏电阻的电阻上升（下图）。（图片来源：toshiba）
thermoflagger 的工作原理thermoflagger 是一款精密模拟 ic，其输出经过优化，可与主机 mcu 连接。以下对其工作原理的描述引用了下面图 4 中的数据：
恒流由 ptco 端子提供，并利用一个或多个连接的 ptc 热敏电阻的电阻转换为电压。正是内部恒流源使得 thermoflagger 解决方案对电源电压变化不敏感，这是它与其他温度监测技术相比的一大重要优势。如果 ptc 热敏电阻发热，电阻大幅增加，ptco 电压就会增加至电源电压 (v dd )。如果 ptco 端子断开，ptco 电压也会升至 v dd 。如果 ptco 电压超过检测电压，比较器的输出将反转，并且发送“低”输出。ptco 输出精度为 ±8%。thermoflagger ic 有两种输出格式：开漏和推挽。开漏输出需要一个上拉电阻。推挽输出无需电阻器。比较器输出反转之后，它将被闭锁（假设 thermoflagger 包括可选的闭锁功能），以防止输出因 ptc 热敏电阻的温度下降而发生变化。向 reset 引脚施加信号后，锁存器被释放。图 4：显示 thermoflagger 主要功能的框图，thermoflagger 是一种精密模拟 ic，其输出经过优化，可与主机 mcu 连接。（图片来源：toshiba）
应用注意事项thermoflagger 解决方案尤其适用于监测大型 ic （例如片上系统 soc）的电源电路中的 mosfet 或 ldo，以及工业和消费系统中的电机驱动电路。其典型应用包括笔记本电脑（图 5）、机器人真空吸尘器、家用电器、打印机、电池供电的手动工具、可穿戴设备以及类似设备。thermoflagger ic 的例子包括：
[tcth021be]，提供 10 µa 的 ptco 输出电流和非闭锁开漏输出[tcth022be]，提供 10 µa 的 ptco 输出电流和闭锁开漏输出[tcth021ae]，提供 10 µa 的 ptco 输出电流和闭锁推挽输出图 5：笔记本电脑中的典型 thermoflagger 实施。（图片来源：toshiba）
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图 6：thermoflagger 可为基于温度监测 ic（左）的基本温度监测解决方案增加温度监测层或冗余（右）。（图片来源：toshiba）
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