CC BY
49Компоненты и технологии, № 3'2005
Применение
термочувствительных элементов
в электронной аппаратуре
■у
На протяжении многих лет температурные датчики применяются в различных устройствах электронной техники, таких как схемы останова при перегреве системы, температурной калибровки в системах повышенной точности и вывода температурных показаний. В последнее десятилетие необходимость в высокоэффективных и компактных системах во многих направлениях техники привела к широкому освоению тепловых датчиков на кремниевой основе.
Джордж Папаризос
Рост использования высокопроизводительных устройств, таких как центральные процессоры (ЦП) и специализированные ИС (СИС), привел к созданию систем, рассеивающих значительную мощность. Такие системы предъявляют новые требования к регулированию тепловых параметров, что, в свою очередь, вызвало развитие нового поколения термочувствительных ИС, позволяющих упростить процесс разработки и обеспечивающих простую связь с другими компонентами схемы. Инженеру-разработчику следует знать различие между наиболее известными типами термочувствительных ИС, чтобы выбрать оптимальный вариант для данной реализации, обеспечивающий высокую производительность системы при сокращении времени на ее разработку.
Кремниевые термочувствительные элементы
Принцип действия кремниевых термочувствительных элементов базируется на устойчивых законах изменчивости свойств полупроводников. Более конкретно, на измерении напряжения на биполярном диоде, которым служит переход р-п-р- или п-р-п-транзистора, сформированного на подложке в соответствии с технологией МОП.
В основное уравнение, описывающее напряжения на диоде, входят два параметра, которые зависят от технологии: эмпирическая постоянная п (константа «неидеальности») и ток насыщения 15. От этой зависимости можно в значительной мере избавиться, если применить два источника тока, позволяющих скомпенсировать (путем вычитания) ток насыщения. В результате остается лишь «неидеальность», весьма слабо зависящая от конкретной технологии. При наличии двух различных величин плотности тока можно записать упрощенное выражение для напряжения (пропорционального температуре) на кремниевом р-п-переходе:
ДУВЕ = (К/я) 1п (Ы) X Т
где Т — температура в градусах Кельвина, К — постоянная Больцмана, N — параметр, характеризующий отношение токов, я — заряд электрона. Из уравнения видно, что разность потенциалов в прямом направлении прямо пропорциональна температуре и трем константам. Таким образом, поддерживая необходимую точность отношения двух токовых уровней, можно независимо от их абсолютных величин практически устранить зависимость измеряемого напряжения УВЕ от начального прямого напряжения, физического размера перехода, утечки и других параметров перехода.
Типы термочувствительных элементов
Кремниевые термочувствительные элементы классифицируются в основном по типу выходного сигнала. Одними из первых на рынке появились датчики с аналоговым выходом. Сейчас имеет место тенденция нарастания в использовании ИС, включающих в себя цепи преобразования выходного сигнала. На сегодня большинство наиболее употребительных тепловых датчиков имеют аналоговый (по напряжению), логический и цифровой (многоразрядный) выходы.
Функционально датчик с аналоговым (по напряжению) выходом во многом аналогичен термистор-ному, в котором выходное напряжение пропорционально измеряемой температуре. Кремниевые термочувствительные элементы предпочтительнее термисторов в тех случаях, когда необходима линейная зависимость между напряжением и температурой, поскольку для них не требуются схема линеаризации на выходе и во многих случаях, повторитель напряжения на базе операционного усилителя (рис. 1). Имеются варианты аналоговых датчиков температуры на различные шкалы (Кельвина, Цельсия, Фаренгейта) и уровни смещения напряжения. Это позволяет отслеживать отрицательные значения температуры даже при использовании несимметричной схемы питания. Выход аналогового датчика температуры можно подать на вход компаратора, реализовав таким способом индикатор перегрева,
Компоненты и технологии, № 3'2005
Рис. 3. Типовые схемы включения термореле
или подключить напрямую каналого-цифро-вому преобразователю (АЦП) для вывода показаний температуры в реальном времени на дисплей (рис. 2). Аналоговые датчики прекрасно подходят в случаях, где требуется низкая стоимость, небольшие размеры и низкое потребление.
К другим типам датчиков относятся термореле, или устройства с логическим выходом. Они выдают на выходе логический уровень, когда измеряемая температура оказывается выше (ниже) заданного предела. Точка (порог) срабатывания запрограммирована либо по заводской установке, либо задается с помощью внешнего резистора. Такие ИС с простым логическим выходом легко встраиваются в схемы и имеют низкую стоимость. Температурные реле часто обладают и дополнительными качествами, такими, например, как регулировка порога гистерезиса, многотемпературные точки срабатывания и выходные сигналы. Термореле обычно применяются в системах, где требуется простая индикация повышения (понижения) температуры (тепловая сигнализация) с целью останова системы, включения вентилятора или нагревателя (термостатирование).
Появление цифровых термочувствительных элементов обусловлено требованиями более сложных методов регулирования, повышенной точности и высокого разрешения. Сначала эти устройства использовались в компьютерной технике, однако они быстро нашли применение и в других системах. Типичная область применения — аппаратура передачи данных, где требуется контроль условий перегрева в высокопроизводительных ЦПУ или программируемых матричных БИС (БРОЛ), а также оборудование, содержащее приводы жестких дисков, в которых экстремальные температуры могут привести к ошибкам и потере данных. Типичным примером температурного регулирования может служить понижение тактовой частоты мощного процессора, позволяющее снизить емкостные потери на пе-
реключение и тем самым уменьшить ток питания, повысить срок службы батарей. Цифровые термочувствительные элементы обеспечивают непосредственное считывание показаний температуры без дополнительных навесных компонентов. Это достигается благодаря размещению всех необходимых функциональных блоков в компактном корпусе (рис. 4). Основным достоинством цифрового преобразования в данных устройствах является существенно возросший функциональный уровень канала регулирования температуры, а также возможностей программного управления, что значительно облегчает модернизацию (перестройку) системы при изменении аппаратной части или тепловых параметров.
Блок-схема типичного цифрового термочувствительного элемента показана на рис. 4. Датчик ТС77 с последовательным выходом объединяет в одном чипе термочувствительный элемент, АЦП с высоким разрешением и цифровые регистры. Связь с процессором осуществляется по стандартной шине последовательного интерфейса вР1. В данной шине для приема-передачи данных используются контакты 8СК, 81/0 и С8. Значение температуры определяется по напряжению на диоде, ко-
торое конвертируется в цифровой вид встроенным 13-разрядным АЦП. Данные измерений хранятся в регистре температуры. Если операция считывания регистра температуры запускается в ходе текущего преобразования АЦП, то будет считан результат предыдущего преобразования. Для выбора режимов (преобразования температуры или управления остановкой системы) служит конфигурационный регистр. В режиме остановки цепь преобразования температуры отключается в целях минимизации энергопотребления, однако последовательный порт приема-передачи данных остается в активном состоянии.
В настоящее время цифровые термочувствительные элементы поставляются вместе с различными интерфейсами и протоколами связи, преимущественно с 8Р1, 12С и 8МВш. На сегодня есть тенденция к разработке высокоразрешающих датчиков с малой температурной погрешностью. Эти качества обеспечивают более точный контроль окружающей температуры в системе и в тоже время позволяют обнаруживать весьма малые ее колебания. Подобные характеристики наделяют систему более быстрой реакцией, обеспечивая повышенную надежность и тепловую защиту. Кроме того, в дополнение к операциям считывания температуры в логические ИС или микроконтроллеры (через цифровые интерфейсы), во многих устройствах реализована возможность получения команд (инструкций) от микроконтроллеров. В качестве инструкций часто выступают температурные пороги, превышение которых активирует цифровые выходы термочувствительных ИС, что приводит к операции прерывания микроконтрол-
: 0,1 мкф
ТС77
С5
БСК
51/0
Микро-
контроллер
РІСтісгок
АЫ0
БСК
501
ЭРО
Внешний
термоэлемент
ТС77
Стандартный Ю регистр
1
Дельта-сигма
АЦП Г
13-раз рядов
1 юследова-
тельныи
порт
Термо-
резистор
і
Эталонный Конфигурац.
резистор регистр
-СБ
-► 51 /О — ЭСК
Рис. 4. Блок-схема и включение типового цифрового термочувствительного элемента
Компоненты и технологии, № 3'2005
лера или микропроцессора. Таким образом, даже при заблокированном ПО (при отключенной связи) аппаратные средства позволяют выработать сигнал, инициирующий реакцию системы на опасный уровень повышения температуры. В этих случаях для поддержания нужной температуры микроконтроллер может, например, отрегулировать скорость вращения вентилятора или снизить частоту микропроцессора.
Системные инженеры и разработчики могут выбирать из нескольких типов термочувствительных элементов. Предварительная оценка целей и задач разработки может существенно облегчить выбор. Выходной сигнал (и тип) термочувствительного элемента в конкретной разработке выбирается исходя из наличия микроконтроллерных устройств и средств ПО, а также сложности схемы датчика. Здесь может таиться «скрытая» часть сто-
имости разработки, что может привести к сюрпризам как по цене, так и по техническим характеристикам. Цифровые термочувствительные элементы удобны для подключения к другим компонентам устройства, не требуют дополнительных цепей согласования. Понимание различия между разными типами термочувствительных ИС может помочь инженерам при выборе изделия, наилучшего с точки зрения конкретной реализации.
е-
