Применение термочувствительных элементов в электронной аппаратуре

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.

Рост использования высокопроизводительных
устройств, таких как центральные процессоры
(ЦП) и специализированные ИС (СИС), при
вел к созданию систем, рассеивающих значительную
мощность. Такие системы предъявляют новые тре
бования 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 наибо
лее известными типами термочувствительных ИС,
чтобы выбрать оптимальный вариант для данной ре
ализации, обеспечивающий высокую производитель
ность системы при сокращении времени на ее
разработку.

Кремниевые термочувствительные элементы

Принцип действия кремниевых термочувствитель
ных элементов базируется на устойчивых законах
изменчивости свойств полупроводников. Более кон
кретно, на измерении напряжения на биполярном
диоде, которым служит переход p-n-p- или n-p-n
транзистора, сформированного на подложке в соот
ветствии с технологией МОП.

В основное уравнение, описывающее напряжения
на диоде, входят два параметра, которые зависят
от технологии: эмпирическая постоянная η (кон
станта «неидеальности») и ток насыщения IS. От этой
зависимости можно в значительной мере избавить
ся, если применить два источника тока, позволяю
щих скомпенсировать (путем вычитания) ток насы
щения. 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 p-n-переходе:

ΔV_BE = (K/q)ln(N)*T

где T — температура в градусах Кельвина, K — по
стоянная Больцмана, N— параметр, характеризую
щий отношение токов, q— заряд электрона. Из урав
нения видно, что разность потенциалов в прямом
направлении прямо пропорциональна температуре
и трем константам. Таким образом, поддерживая не
обходимую точность отношения двух токовых уров
ней, можно независимо от их абсолютных величин
практически устранить зависимость измеряемого на
пряжения V_BE от начального прямого напряжения,
физического размера перехода, утечки и других па
раметров перехода.

Типы термочувствительных элементов

Кремниевые термочувствительные элементы клас
сифицируются в основном по типу выходного сигна
ла. Одними из первых на рынке появились датчики
с аналоговым выходом. Сейчас имеет место тенден
ция нарастания в использовании ИС, включающих
в себя цепи преобразования выходного сигнала. На се
годня большинство наиболее употребительных теп
ловых датчиков имеют аналоговый (по напряжению),
логический и цифровой (многоразрядный) выходы.

Функционально датчик с аналоговым (по напря
жению) выходом во многом аналогичен термистор
ному, в котором выходное напряжение пропорцио
нально измеряемой температуре. Кремниевые тер
мочувствительные элементы предпочтительнее
термисторов в тех случаях, когда необходима линей
ная зависимость между напряжением и температу
рой, поскольку для них не требуются схема линеа
ризации на выходе и во многих случаях, повтори
тель напряжения на базе операционного усилителя
(рис. 1). Имеются варианты аналоговых датчиков
температуры на различные шкалы (Кельвина, Цель
сия, Фаренгейта) и уровни смещения напряжения.
Это позволяет отслеживать отрицательные значения
температуры даже при использовании несимметрич
ной схемы питания. Выход аналогового датчика тем
пературы можно подать на вход компаратора, реа
лизовав таким способом индикатор перегрева, или подключить напрямую к аналого-цифро
вому преобразователю (АЦП) для вывода по
казаний температуры в реальном времени на
дисплей (рис. 2). Аналоговые датчики прекрас
но подходят в случаях, где требуется низкая
стоимость, небольшие размеры и низкое
потребление.

К другим типам датчиков относятся тер
мореле, или устройства с логическим выхо
дом. Они выдают на выходе логический уро
вень, когда измеряемая температура оказы
вается 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 встра
иваются в схемы и имеют низкую стоимость.
Температурные реле часто обладают и допол
нительными качествами, такими, например,
как регулировка порога гистерезиса, много
температурные точки срабатывания и выход
ные сигналы. Термореле обычно применяют
ся в системах, где требуется простая индика
ция повышения (понижения) температуры
(тепловая сигнализация) с целью останова
системы, включения вентилятора или нагре
вателя (термостатирование).

Появление цифровых термочувствительных
элементов обусловлено требованиями более
сложных методов регулирования, повышен
ной точности и высокого разрешения. Снача
ла эти устройства использовались в компью
терной технике, однако они быстро нашли
применение и в других системах. Типичная об
ласть применения — аппаратура передачи дан
ных, где требуется контроль условий перегре
ва в высокопроизводительных ЦПУ или про
граммируемых матричных БИС (FPGA),
а также оборудование, содержащее приводы
жестких дисков, в которых экстремальные тем
пературы могут привести к ошибкам и поте
ре данных. Типичным примером температур
ного регулирования может служить пониже
ние тактовой частоты мощного процессора,
позволяющее снизить емкостные потери на переключение и тем самым уменьшить ток пи
тания, повысить срок службы батарей. Циф
ровые термочувствительные элементы обес
печивают непосредственное считывание пока
заний температуры без дополнительных
навесных компонентов. Это достигается бла
годаря размещению всех необходимых функ
циональных блоков в компактном корпусе
(рис. 4). Основным достоинством цифрового
преобразования в данных устройствах являет
ся существенно возросший функциональный
уровень канала регулирования температуры,
а также возможностей программного управле
ния, что значительно облегчает модернизацию
(перестройку) системы при изменении аппа
ратной части или тепловых параметров.

Блок-схема типичного цифрового термо
чувствительного элемента показана на рис. 4.
Датчик TC77 с последовательным выходом
объединяет в одном чипе термочувствитель
ный элемент, АЦП с высоким разрешением
и цифровые регистры. Связь с процессором
осуществляется по стандартной шине после
довательного интерфейса SPI. В данной шине
для приема-передачи данных используются
контакты SCK, SI/O и CS. Значение температу
ры определяется по напряжению на диоде, которое конвертируется в цифровой вид встро
енным 13разрядным АЦП. Данные измерений
хранятся в регистре температуры. Если опера
ция считывания регистра температуры запус
кается в ходе текущего преобразования АЦП,
то будет считан результат предыдущего преоб
разования. Для выбора режимов (преобразова
ния температуры или управления остановкой
системы) служит конфигурационный регистр.
В режиме остановки цепь преобразования тем
пературы отключается в целях минимизации
энергопотребления, однако последовательный
порт приема-передачи данных остается в ак
тивном состоянии.

В настоящее время цифровые термочув
ствительные элементы поставляются вмес
те с различными интерфейсами и протоко
лами связи, преимущественно с SPI, I2C
и SMBus. На сегодня есть тенденция к разра
ботке высокоразрешающих датчиков с ма
лой температурной погрешностью. Эти ка
чества обеспечивают более точный контроль
окружающей температуры в системе и в то
же время позволяют обнаруживать весьма
малые ее колебания. Подобные характерис
тики наделяют систему более быстрой реак
цией, обеспечивая повышенную надежность
и тепловую защиту. Кроме того, в дополне
ние к операциям считывания температуры
в логические ИС или микроконтроллеры (че
рез цифровые интерфейсы), во многих уст
ройствах реализована возможность получе
ния команд (инструкций) от микроконтрол
леров. В качестве инструкций часто
выступают температурные пороги, превы
шение которых активирует цифровые вы
ходы термочувствительных ИС, что приво
дит к операции прерывания микроконтроллера или микропроцессора. Таким образом,
даже при заблокированном ПО (при отклю
ченной связи) аппаратные средства позво
ляют выработать сигнал, инициирующий
реакцию системы на опасный уровень по
вышения температуры. В этих случаях для
поддержания нужной температуры микро
контроллер может, например, отрегулиро
вать скорость вращения вентилятора или
снизить частоту микропроцессора.

Системные инженеры и разработчики мо
гут выбирать из нескольких типов термочув
ствительных элементов. Предварительная
оценка целей и задач разработки может су
щественно облегчить выбор. Выходной сиг
нал (и тип) термочувствительного элемента
в конкретной разработке выбирается исходя
из наличия микроконтроллерных устройств
и средств ПО, а также сложности схемы дат
чика. Здесь может таиться «скрытая» часть стоимости разработки, что может привести к сюр
призам как по цене, так и по техническим ха
рактеристикам. Цифровые термочувствитель
ные элементы удобны для подключения к дру
гим компонентам устройства, не требуют
дополнительных цепей согласования. Пони
мание различия между разными типами тер
мочувствительных ИС может помочь инже
нерам при выборе изделия, наилучше