微處理器芯片溫度檢測(cè)及其散熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)

TC652和TC653是美國(guó)Telcom公司生產(chǎn)的專用集成電路。它通過(guò)檢測(cè)微機(jī)系統(tǒng)中微處理器(μP)的溫度,控制無(wú)刷直流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,來(lái)改善μP的散熱條件,確保μP能長(zhǎng)期安全可靠地工作。TC652和TC653可廣泛用于PC機(jī)和筆記本電腦中的散熱保護(hù)電路,還適用于機(jī)頂盒(Set-Top Box)、數(shù)字通信設(shè)備、微機(jī)外設(shè)、儀器儀表及測(cè)控系統(tǒng)中。二者的區(qū)別是TC653增加了自動(dòng)關(guān)閉模式,在低于下限溫度時(shí)能自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)扇,以節(jié)省電能。 

1 TC652/653的性能特點(diǎn)及工作原理 

1.1 性能特點(diǎn) 

    (1)TC652/653內(nèi)含集成溫度傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器,是一種能同時(shí)檢測(cè)μP溫度和風(fēng)扇運(yùn)行狀況的溫度控制專用IC。 

    (2)測(cè)溫范圍為-40～+125℃。在+25～+70℃范圍內(nèi)測(cè)溫精度可達(dá)±1%(典型值)。 

    (3)采用脈寬調(diào)制(PWM)方式,利用一個(gè)分級(jí)的轉(zhuǎn)速控制器對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行多級(jí)調(diào)速。輸出脈沖的占空比與μP的溫度成正比。利用上述控制方式不僅能延長(zhǎng)風(fēng)扇的使用壽命,節(jié)省電能,還可降低風(fēng)扇噪聲。 

    (4)全部程序已固化在芯片內(nèi)部,不需要上層軟件支持,也不受微機(jī)控制。控溫范圍(即下限溫度t_L與上限溫度t_H的間隔)依型號(hào)中的尾綴而定,共有10種規(guī)格。 

    (5)電源電壓范圍寬(+2.8～+5.5V),微功耗(靜態(tài)工作電流僅為50μA)。 

1.2 工作原理 

    TC652/653的內(nèi)部框圖如圖1所示。它們均采用8腳MSOP封裝。U_DD、GND分別為正電源端和公共地。為風(fēng)扇故障報(bào)警輸出端,輸出低電平時(shí)表示風(fēng)扇發(fā)生了故障。有故障時(shí),TC652/653被鎖定在關(guān)閉模式,PWM輸出端保持低電平。若將端接上高電平或者給U_DD重新上電,即可使芯片和風(fēng)扇從關(guān)斷狀態(tài)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。為關(guān)閉風(fēng)扇的輸入控制端,輸入為低電平時(shí)強(qiáng)迫風(fēng)扇關(guān)閉。在關(guān)閉模式期間,TC652/653仍能監(jiān)視μP的溫度,若t>t_H,端就輸出低電平。SENSE為檢測(cè)風(fēng)扇脈沖的輸入端,可通過(guò)一只電阻R_S來(lái)檢測(cè)風(fēng)扇脈沖。如檢測(cè)不到脈沖信號(hào),就說(shuō)明風(fēng)扇出現(xiàn)了故障。為超溫報(bào)警端。當(dāng)μP溫度超過(guò)t_H時(shí),該端輸出低電平。PWM為風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)脈沖的輸出端,脈寬調(diào)制頻率約為15Hz。 

 

 

    TC652/653的內(nèi)部主要包括溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、振蕩器、溫度設(shè)定及微調(diào)電路、占空比邏輯控制電路、輸出級(jí)、比較器和風(fēng)扇檢測(cè)邏輯電路。溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后變成溫度數(shù)據(jù),存儲(chǔ)到內(nèi)部寄存器中。該寄存器有一個(gè)預(yù)先定義好的起點(diǎn)溫度,還有6個(gè)初始溫度(t_L、t₁、t₂、t₃、t₄、t_H),t₁～t₄被平均分布在所規(guī)定的控溫范圍(t_L～t_H)內(nèi),詳見(jiàn)表1。其中,tL代表起點(diǎn)溫度,此時(shí),TC652的最小占空比D_min=40%;而TC653處于自動(dòng)關(guān)閉模式,TC653的D_min改為50%。TC652/653的上、下限溫度值由型號(hào)中的尾綴決定。例如,TC652AE的溫度控制范圍為+25～+45℃。當(dāng)溫度為+25℃時(shí)開啟風(fēng)扇(低速運(yùn)行),到+45℃時(shí)風(fēng)扇全速運(yùn)行。 

 

 

    TC652/653的基本工作原理是利用所檢測(cè)到的μP溫度數(shù)據(jù),改變PWM輸出信號(hào)的占空比,再通過(guò)外部功率開關(guān)管來(lái)控制直流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,進(jìn)而改善μP的散熱條件。TC652的占空比調(diào)節(jié)范圍為40%～100%,TC653則為50%～100%。為確保風(fēng)扇工作的可靠性,在剛接通電源或從關(guān)閉模式重新啟動(dòng)芯片時(shí),觸發(fā)計(jì)時(shí)器使PWM的輸出在高電平上保持2秒鐘時(shí)間,關(guān)斷模式的時(shí)序波形如圖2所示。在確認(rèn)風(fēng)扇發(fā)生故障時(shí),就通過(guò)內(nèi)部電路使PWM、端都變成低電平。 

 

 

    信號(hào)具有溫度滯后特性。當(dāng)t>t_H+10℃時(shí),端才變成低電平,表示μP發(fā)生過(guò)熱現(xiàn)象,可關(guān)閉μP的電源,亦可使系統(tǒng)中其它風(fēng)扇工作在全速狀態(tài),給μP進(jìn)一步降溫;當(dāng)tH+10℃時(shí),端要等溫度再下降5℃之后才恢復(fù)成高電平。利用其溫度滯后特性,可避免產(chǎn)生振蕩。TC652和TC653都具有關(guān)閉輸出的功能。關(guān)閉風(fēng)扇時(shí),=0,=1,PWM=0,芯片的工作電流降至50μA。TC653還具有自動(dòng)關(guān)閉模式,當(dāng)tL時(shí),使PWM=0,能自動(dòng)關(guān)閉風(fēng)扇以節(jié)省電能。 

2 微處理器散熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì) 

2.1 TC652/653的典型應(yīng)用電路 

    TC652/653的典型應(yīng)用電路如圖3所示。TC652/653緊貼在被檢測(cè)的微處理器(μP)上,由它發(fā)出的風(fēng)扇故障報(bào)警信號(hào),送到微機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)扇故障報(bào)警輸入端,微機(jī)接收此信號(hào)后就從關(guān)斷控制端給TC652/653發(fā)出一個(gè)關(guān)斷信號(hào),關(guān)閉PWM的輸出。當(dāng)μP的溫度超過(guò)所設(shè)定的上限溫度值t_H時(shí),從端輸出的超溫報(bào)警信號(hào)也送至微機(jī)系統(tǒng)。TC652/653采用+5V電源,風(fēng)扇單獨(dú)使用+12V電源。外部驅(qū)動(dòng)管VT采用2N2222型NPN晶體管,其主要參數(shù)為:U_(BR)CEO=30V,I_C=150mA,I_CM=800mA,P_CM=500mW,h_FE≥50。R_B為基極限流電阻,R_S是風(fēng)扇脈沖檢測(cè)電阻。電容器C用來(lái)濾除高頻噪聲。 

 

 

2.2 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn) 

2.2.1 驅(qū)動(dòng)管的選擇及典型產(chǎn)品的參數(shù) 

    根據(jù)全速運(yùn)行時(shí)的風(fēng)扇電流IFAN值,可確定驅(qū)動(dòng)管的類型。原則上,當(dāng)I_FAN≤300mA時(shí),可選雙極型晶體管或場(chǎng)效應(yīng)管;當(dāng)I_FAN>300mA時(shí),必須采用N溝道MOSFET。雙極型晶體管典型產(chǎn)品有MPS2222、2N4410和MPS6602。N溝道MOSFET典型產(chǎn)品為Si2302、MPS6602和BS170。 

2.2.2 基極限流電阻RB的計(jì)算 

    使用雙極型晶體管驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇時(shí),基極限流電阻R_B值由下式確定: 

     

式中,U_OH——PWM端輸出的高電平電壓; 

     U_BE(SAT)——基極-發(fā)射極飽和壓降; 

     U_Rs——風(fēng)扇電流檢測(cè)電阻R_S上的壓降; 

     I_B——基極電流。 

    舉例說(shuō)明:已知U_OH=4.0V,U_BE(SAT)=1.3V,U_Rs=I_FAN·R_S=150mA×3.0Ω=0.45V,I_B=3.25mA,由上式可求出R_B=1kΩ。

2.2.3 檢測(cè)電阻RS與風(fēng)扇電流IFAN的關(guān)系 

    檢測(cè)電阻R_S與風(fēng)扇電流I_FAN的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表2。 

 

 

2.2.4 減小風(fēng)扇噪聲的方法 

    當(dāng)風(fēng)扇全速運(yùn)行時(shí),所形成的擾動(dòng)氣流是產(chǎn)生音頻噪聲的主要原因。采用風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器能使風(fēng)扇在低于全速的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,這有助于減小風(fēng)扇噪聲。在調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比時(shí),可引起音頻噪聲,在驅(qū)動(dòng)管的基極與地之間并聯(lián)一只延遲電容C可降低風(fēng)扇噪聲,電路如圖4a所示。風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)力矩與電角度的關(guān)系曲線如圖4b所示。加延遲電容后,可濾掉在PWM開啟風(fēng)扇時(shí)所形成的尖峰電壓,對(duì)PWM信號(hào)起到平滑作用,使風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩平滑地變化,進(jìn)而降低了風(fēng)扇噪聲。延遲電容的容量范圍為0.47～1.0μF。此外,當(dāng)PWM=0使VT關(guān)斷時(shí),延遲電容還能限制反向電動(dòng)勢(shì)的升高,對(duì)驅(qū)動(dòng)管起到保護(hù)作用。