Un nuevo método para controlar la temperatura de forma precisa, compacta y de bajo consumo

El calor puede suponer un reto para los diseñadores de casi cualquier sistema electrónico, como los dispositivos de vestir, los artículos del hogar, los equipos médicos y los equipos industriales. La acumulación inadvertida de calor puede ser especialmente problemática. Para evitar este problema, existen varias opciones para detectar el calor, como los CI de detección de temperatura y los termistores PTC (coeficiente de temperatura positiva). Sin embargo, tienen sus limitaciones. Cada opción de detección utiliza varios componentes, requiere una conexión específica a la unidad de microcontrolador (MCU) anfitriona, ocupa un valioso espacio en la placa, requiere tiempo de diseño y tiene una precisión limitada.

Dicho esto, los diseñadores tienen una nueva opción. Se han desarrollado CI para su uso con múltiples termistores PTC que permiten que un solo CI realice una detección precisa de sobretemperatura con una conexión a la MCU anfitrión. Para proporcionar altos niveles de flexibilidad de diseño, estos CI seleccionan corrientes de salida para soportar varios termistores PTC. Están disponibles con una selección de interfaces de unidad de microcontrolador y pueden incluir una función de enclavamiento. Se presentan en un minúsculo encapsulado SOT-553 de 1.6 x 1.6 x 0.55 milímetros (mm) y tienen un consumo de corriente de 11.3 microamperios (μA), lo que permite soluciones compactas y de bajo consumo.

Este artículo revisa las fuentes de calor en un sistema electrónico y examina algunas soluciones de monitorización de temperatura utilizando Termistores PTC combinados con CI de detección o transistores discretos. También compara estas soluciones con los CI de medición de temperatura. El artículo presenta y explica cómo aplicar CI de Toshiba que ejemplifican la protección térmica rentable y de bajo consumo.

Fuentes de calor

El calor generado por los componentes electrónicos impacta negativamente en la seguridad del usuario y en el funcionamiento del dispositivo/sistema. Los CI de gran tamaño, como las unidades centrales de procesamiento (CPU), las unidades de procesamiento gráfico (GPU), los circuitos integrados para aplicaciones específicas (ASIC), las matrices de puertas programables en campo (FPGA) y los procesadores de señal digital (DSP), pueden producir cantidades considerables de calor. Necesitan protección, pero no son los únicos dispositivos que deben vigilarse para evitar un calor excesivo.

La corriente que fluye a través de una resistencia produce calor y, en el caso de los CI de gran tamaño, hay miles o millones de microfuentes de calor que pueden suponer un gran reto para la gestión térmica. Esos mismos CI suelen necesitar una regulación precisa del voltaje directamente junto a sus pines de alimentación. Esto puede requerir convertidores de CC/CC polifásicos de punto de carga (POL) o reguladores lineales de caída baja (LDO). Las resistencias en estado encendido de los MOSFET de potencia en los POL y los transistores de paso en los LDO pueden provocar el sobrecalentamiento de los dispositivos, reduciendo la precisión de la regulación de voltaje y comprometiendo el rendimiento del sistema.

No sólo los POL y los LDO generan calor. El calor debe controlarse y gestionarse en toda una serie de sistemas, como fuentes de alimentación CA-CC, accionamientos de motores, sistemas de alimentación ininterrumpida, inversores solares, trenes motrices de vehículos eléctricos (VE), amplificadores de radiofrecuencia (RF) y sistemas de detección y localización de luz (LiDAR). Estos sistemas pueden incluir condensadores electrolíticos para el almacenamiento de energía a granel, transformadores electromagnéticos para la transformación y el aislamiento de la tensión, optoacopladores para el aislamiento eléctrico y diodos láser.

Las corrientes parásitas en los condensadores electrolíticos, las corrientes parásitas en los transformadores, el flujo de corriente en los LED de los optoacopladores y los diodos láser de los LiDAR son algunas de las posibles fuentes de calor en estos dispositivos. El control de la temperatura puede ayudar en todos estos casos a mejorar la seguridad, el rendimiento y la fiabilidad.

Termistores PTC convencionales

Controlar la temperatura es el primer paso fundamental en la protección térmica. Una vez identificada una situación de sobretemperatura, pueden adoptarse medidas correctoras. Los termistores PTC se utilizan a menudo para controlar las temperaturas en una placa de PC. Un termistor PTC experimenta un aumento de la resistividad eléctrica a medida que aumenta su temperatura. Los diseños de los termistores PTC están optimizados para funciones específicas como la protección contra sobreintensidades y cortocircuitos y la supervisión de la temperatura. Los termistores PTC de control de temperatura se fabrican con cerámicas semiconductoras con un elevado coeficiente de temperatura. Tienen valores de resistencia relativamente bajos a temperatura ambiente, pero su resistencia aumenta rápidamente cuando se calientan por encima de su temperatura de Curie.

Los termistores PTC pueden utilizarse individualmente para controlar un dispositivo específico, como una GPU, o varios en serie para controlar un grupo más amplio de dispositivos, como los MOSFET de un POL. Existen varias formas de implementar la supervisión de la temperatura mediante termistores PTC. Dos métodos comunes son el uso de un sensor CI o transistores discretos para controlar la resistencia de los termistores PTC (Figura 1).

Figura 1: Dos esquemas habituales de control de la temperatura con termistores PTC implican CI de interfaz de sensores (izquierda) y soluciones de transistores discretos (derecha). (Fuente de la imagen: Toshiba)

En ambos casos, hay una única conexión a la unidad de microcontrolador host para una cadena de termistores PTC. Hay varias compensaciones entre estos enfoques:

• Número de componentes: La solución CI utiliza tres componentes, frente a los seis dispositivos necesarios con el método de transistores.
• Área de montaje: Al utilizar menos componentes, la solución CI requiere menos superficie de placa de PC.
• Precisión: Ambos enfoques son susceptibles a los cambios en la tensión de alimentación, pero el enfoque del transistor también es susceptible a los cambios en las características del transistor a medida que aumenta su temperatura. En general, el enfoque CI puede proporcionar una mayor precisión
• Costo: El enfoque de transistores utiliza dispositivos de bajo coste, lo que puede suponer una ventaja económica en comparación con el enfoque de CI.

CI de sensores y termoflagelador

En lugar de termistores PTC se pueden utilizar múltiples CI de detección de temperatura. Los CI sensores de temperatura miden la temperatura de su molde para estimar la temperatura de la placa de PC. Cuanto menor sea la resistencia térmica entre la placa de PC y el CI, mejor será la estimación de la temperatura. Si se montan correctamente en la placa de PC, los CI de detección de temperatura pueden proporcionar mediciones muy precisas. Dos factores que limitan el uso de CI de detección de temperatura son que es necesario colocar un CI en cada punto en el que se necesite medir la temperatura y que cada CI necesita una conexión dedicada a la unidad de microcontrolador anfitriona.

Thermoflagger de Toshiba ofrece una cuarta opción. Con Thermoflagger, los circuitos de medición de temperatura pueden implementarse con un solo componente adicional, en comparación con el uso de CI de medición de temperatura. En lugar de tener varias conexiones a la MCU anfitriona, la solución Thermoflagger requiere una única conexión a la MCU, lo que permite el uso de termistores PTC de bajo coste para la supervisión simultánea de varias ubicaciones (figura 2).

Figura 2: La monitorización de los CI sensores de temperatura suele requerir un CI en cada posible fuente de calor y una conexión a la MCU para cada CI sensor (izquierda); una solución Thermoflagger más múltiples termistores PTC tiene una única conexión a la MCU (derecha). (Fuente de la imagen: Toshiba)

Más razones para considerar Thermoflagger incluyen:

• Ocupa menos espacio en la placa de PC que otras soluciones.
• No se ve afectado por las variaciones de tensión de la fuente de alimentación.
• Puede utilizarse para implementar una sencilla supervisión redundante de la temperatura

¿Qué aspecto tiene una solución Thermoflagger?

Thermoflagger suministra una pequeña corriente constante a los termistores PTC conectados y controla su resistencia. Puede supervisar un termistor PTC individual o una cadena de termistores PTC. A una temperatura elevada, dependiendo del termistor PTC específico que se esté monitorizando, la resistencia de un termistor PTC aumenta rápidamente y Thermoflagger detecta el aumento de la resistencia. Los termistores con diferentes corrientes constantes, como 1 ó 10 microamperios (µA), se adaptan a una gran variedad de termistores PTC. Con un consumo de corriente de 11.3 μA, Thermoflagger está diseñado para permitir una supervisión de bajo consumo.

La temperatura de activación de la detección viene determinada por el termistor PTC específico utilizado y puede modificarse sustituyéndolo por otro diferente. Si se produce una sobretemperatura, el Thermoflagger detecta el aumento de resistencia en el termistor PTC y activa un cambio en la salida PTCGOOD para alertar a la MCU (Figura 3).

Figura 3: Thermoflagger detecta el aumento de resistencia de un termistor PTC calentado (abajo), en comparación con las bajas resistencias asociadas a las temperaturas normales de funcionamiento (arriba). (Fuente de la imagen: Toshiba)

Cómo funciona Thermoflagger

Thermoflagger es un CI analógico de precisión con una salida optimizada para la conexión a una MCU anfitriona. La siguiente descripción de su funcionamiento se refiere a los números de la Figura 4:

1. La corriente constante se suministra desde el terminal PTCO y se convierte en voltaje utilizando la resistencia de uno o más termistores PTC conectados. Es la fuente de corriente constante interna lo que hace que una solución Thermoflagger sea insensible a las variaciones de la tensión de alimentación, un factor diferenciador importante en comparación con otras técnicas de control de la temperatura. Si un termistor PTC se calienta y su resistencia aumenta considerablemente, la tensión PTCO aumenta hasta alcanzar la tensión de alimentación (V_DD). El voltaje PTCO también sube a V_DD si el terminal PTCO está abierto.
2. Si la tensión PTCO supera la tensión de detección, la salida del comparador se invierte y envía una salida "Low". La precisión de la salida PTCO es de ±8%.
3. Los CI termoflageladores están disponibles con dos formatos de salida: drenaje abierto y empuje y extracción. Las salidas de drenaje abierto requieren resistencias pull-up. No se necesita resistencia/resistor para las salidas de empuje y extracción.
4. Después de invertir la salida del comparador, se bloquea (suponiendo que el Thermoflagger incluya la función opcional de bloqueo) para evitar que la salida cambie debido a una caída de temperatura del termistor PTC.
5. El enclavamiento se libera aplicando una señal al pin RESET.

Figura 4: Un diagrama de bloques que muestra las funciones clave de Thermoflagger, un CI analógico de precisión con una salida optimizada para la conexión a una MCU anfitriona. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Consideraciones sobre las aplicaciones

Las soluciones Thermoflagger pueden ser especialmente útiles para supervisar MOSFET o LDO en circuitos de fuente de alimentación de grandes CI como sistemas en chip (SoC) y para circuitos de accionamiento de motores en sistemas industriales y de consumo. Aplicaciones típicas son las computadoras portátiles (Figura 5), los robots aspiradores, los electrodomésticos, las impresoras, las herramientas manuales a pilas, los dispositivos para llevar puestos y otros aparatos similares. Algunos ejemplos de CI termoflageladores son:

1. TCTH021BE con una corriente de salida PTCO de 10 µA y una salida de drenaje abierto sin bloqueo
2. TCTH022BE con una corriente de salida PTCO de 10 µA y una salida de bloqueo de drenaje abierto
3. TCTH021AE con una corriente de salida PTCO de 10 µA y una salida push-pull con enclavamiento

Figura 5: Se muestra una implementación típica de Thermoflagger en una computadora portátil. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Como todos los CI de precisión, Thermoflagger tiene consideraciones específicas de integración en el sistema, entre ellas:

• El voltaje aplicado al pin PTCO no debe superar 1 V.
• El termoflagelador debe protegerse del ruido del sistema para garantizar un funcionamiento fiable del comparador interno.
• El CI Thermoflagger y los termistores PTC deben estar lo suficientemente separados para evitar que el calor se transmita a través de la placa de PC al CI Thermoflagger.
• Un condensador de desacoplamiento colocado entre V_DD y GND ayudará a garantizar un funcionamiento estable.
• Todos los pines GND deben estar conectados a la masa del sistema.

Redundancia simple

Algunos sistemas pueden beneficiarse de un control redundante de la temperatura. Esto puede ser especialmente cierto si se está supervisando una CI costosa o si se trata de una función crítica. La sencillez y el pequeño tamaño de la solución Thermoflagger facilitan la integración de una capa adicional de control de la temperatura, lo que da como resultado un sistema de control de la temperatura robusto y fiable (Figura 6).

Figura 6: Thermoflagger puede añadir una capa o redundancia (derecha) a una solución básica de control de la temperatura basada en CI de control de la temperatura (izquierda). (Fuente de la imagen: Toshiba)

Conclusión:

Para garantizar un rendimiento fiable del sistema, los diseñadores deben controlar el exceso de calor. Existen varias opciones de control térmico, como CI de detección de temperatura y termistores PTC. Una opción más reciente es el Thermoflagger de Toshiba, que ofrece muchas ventajas, como el uso de múltiples termistores PTC de bajo coste, un menor tamaño, un menor número de componentes, una única conexión a la MCU, inmunidad a las fluctuaciones de la fuente de alimentación y la opción de implementar una sencilla supervisión redundante de la temperatura.