微處理器芯片溫度檢測及其散熱保護(hù)電路的設(shè)計

TC652和TC653是美國Telcom公司生產(chǎn)的專用集成電路。它通過檢測微機(jī)系統(tǒng)中微處理器(μP)的溫度,控制無刷直流風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速,來改善μP的散熱條件,確保μP能長期安全可靠地工作。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)、儀器儀表及測控系統(tǒng)中。二者的區(qū)別是TC653增加了自動關(guān)閉模式,在低于下限溫度時能自動關(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。控溫范圍(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)扇故障報警輸出端,輸出低電平時表示風(fēng)扇發(fā)生了故障。有故障時,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。為超溫報警端。當(dāng)μP溫度超過t_H時,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。該寄存器有一個預(yù)先定義好的起點(diǎn)溫度,還有6個初始溫度(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),詳見表1。其中,t_L代表起點(diǎn)溫度,此時,TC652的最小占空比Dmin=40%;而TC653處于自動關(guān)閉模式,TC653的Dmin改為50%。TC652/653的上、下限溫度值由型號中的尾綴決定。例如,TC652AE的溫度控制范圍為+25～+45℃。當(dāng)溫度為+25℃時開啟風(fēng)扇(低速運(yùn)行),到+45℃時風(fēng)扇全速運(yùn)行。

 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,觸發(fā)計時器使PWM的輸出在高電平上保持2秒鐘時間,關(guān)斷模式的時序波形如圖2所示。在確認(rèn)風(fēng)扇發(fā)生故障時,就通過內(nèi)部電路使PWM、端都變成低電平。

信號具有溫度滯后特性。當(dāng)>t_H+10℃時,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)tH+10℃時,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,=0,1,PWM=0,芯片的工作電流降至50μA。TC653還具有自動關(guān)閉模式,當(dāng)tL時,使PWM=0,能自動關(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

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)扇故障報警信號,送到微機(jī)系統(tǒng)的風(fēng)扇故障報警輸入端,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t_H時,從端輸出的超溫報警信號也送至微機(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,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)扇脈沖檢測電阻。電容器C用來濾除高頻噪聲。

2.2 電路設(shè)計要點(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,可選雙極型晶體管或場效應(yīng)管;當(dāng)IFAN>300mA時,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的計算

    使用雙極型晶體管驅(qū)動風(fēng)扇時,基極限流電阻RB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)扇電流檢測電阻RS上的壓降;

     I_B——基極電流。

    舉例說明: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 檢測電阻R_S與風(fēng)扇電流I_FAN的關(guān)系

    檢測電阻R_S與風(fēng)扇電流I_FAN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,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,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,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。