微處理器芯片溫度檢測及其散熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì)
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μP溫度和風(fēng)扇運(yùn)行狀況的溫度控制專用IC。
(2)測溫范圍為-40～+125℃。在+25～+70℃范圍內(nèi)測溫精度可達(dá)±1%(典型值)。
(3)采用脈寬調(diào)制(PWM)方式,利用一個(gè)分級的轉(zhuǎn)速控制器對風(fēng)扇進(jìn)行多級調(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?？販胤秶?即下限溫度tL與上限溫度tH的間隔)依型號中的尾綴而定,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。UDD、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UDD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>tH,端就輸出低電平。SENSE為檢測風(fēng)扇脈沖的輸入端,可通過一只電阻RS來檢測風(fēng)扇脈沖。如檢測不到脈沖信號,就說明風(fēng)扇出現(xiàn)了故障。為超溫報(bào)警端。當(dāng)μP溫度超過tH時(shí),該端輸出低電平。PWM為風(fēng)扇驅(qū)動脈沖的輸出端,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、比較器和風(fēng)扇檢測邏輯電路。溫度信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變成溫度數(shù)據(jù),存儲到內(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(tL、t1、t2、t3、t4、tH),t1～t4被平均分布在所規(guī)定的控溫范圍(tL～tH)內(nèi),詳見表1。其中,t
TC652/653的基本工作原理是利用所檢測到的μP溫度數(shù)據(jù),改變PWM輸出信號的占空比,再通過外部功率開關(guān)管來控制直流風(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),就通過內(nèi)部電路使PWM、端都變成低電平。
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信號具有溫度滯后特性。當(dāng)t>tH+10℃時(shí),端才變成低電平,表示μP發(fā)生過熱現(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)t
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緊貼在被檢測的微處理器(μP)上,由它發(fā)出的風(fēng)扇故障報(bào)警信號,送到微機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)扇故障報(bào)警輸入端,微機(jī)接收此信號后就從關(guān)斷控制端給TC652/653發(fā)出一個(gè)關(guān)斷信號,關(guān)閉PWM的輸出。當(dāng)μP的溫度超過所設(shè)定的上限溫度值tH時(shí),從端輸出的超溫報(bào)警信號也送至微機(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)動管VT采用2N2222型NPN晶體管,其主要參數(shù)為:U(BR)CEO=30V,IC=150mA,ICM=800mA,PCM=500mW,hFE≥50。RB為基極限流電阻,RS是風(fēng)扇脈沖檢測電阻。電容器C用來濾除高頻噪聲。
2.2 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)
2.2.1 驅(qū)動管的選擇及典型產(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)動管的類型。原則上,當(dāng)IFAN≤300mA時(shí),可選雙極型晶體管或場效應(yīng)管;當(dāng)IFAN>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)動風(fēng)扇時(shí),基極限流電阻RB值由下式確定:
式中,UOH——PWM端輸出的高電平電壓;
UBE(SAT)——基極-發(fā)射極飽和壓降;
URs——風(fēng)扇電流檢測電阻RS上的壓降;
IB——基極電流。
舉例說明:已知UOH=4.0V,UBE(SAT)=1.3V,URs=IFAN·RS=150mA×3.0Ω=0.45V,IB=3.25mA,由上式可求出RB=1kΩ。
2.2.3 檢測電阻RS與風(fēng)扇電流IFAN的關(guān)系
檢測電阻RS與風(fēng)扇電流IFAN的對應(yīng)關(guān)系見表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信號的占空比時(shí),可引起音頻噪聲,在驅(qū)動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PWM信號起到平滑作用,使風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動力矩平滑地變化,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勢的升高,對驅(qū)動管起到保護(hù)作用。
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