微处理器芯片温度检测及其散热保护电路的设计

TC652和TC653是美国Telcom公司生产的专用集成电路。它通过检测微机系统中微处理器(μP)的温度,控制无刷直流风扇的转速,来改善μP的散热条件,确保μP能长期安全可靠地工作。TC652和TC653可广泛用于PC机和笔记本电脑中的散热保护电路,还适用于机顶盒(Set-Top Box)、数字通信设备、微机外设、仪器仪表及测控系统中。二者的区别是TC653增加了自动关闭模式,在低于下限温度时能自动关闭风扇,以节省电能。

1 TC652/653的性能特点及工作原理

1.1 性能特点

    (1)TC652/653内含集成温度传感器和A/D转换器,是一种能同时检测μP温度和风扇运行状况的温度控制专用IC。

    (2)测温范围为-40～+125℃。在+25～+70℃范围内测温精度可达±1%(典型值)。

    (3)采用脉宽调制(PWM)方式,利用一个分级的转速控制器对风扇进行多级调速。输出脉冲的占空比与μP的温度成正比。利用上述控制方式不仅能延长风扇的使用寿命,节省电能,还可降低风扇噪声。

    (4)全部程序已固化在芯片内部,不需要上层软件支持,也不受微机控制。控温范围(即下限温度tL与上限温度tH的间隔)依型号中的尾缀而定,共有10种规格。

    (5)电源电压范围宽(+2.8～+5.5V),微功耗(静态工作电流仅为50μA)。

1.2 工作原理

    TC652/653的内部框图如图1所示。它们均采用8脚MSOP封装。UDD、GND分别为正电源端和公共地。为风扇故障报警输出端,输出低电平时表示风扇发生了故障。有故障时,TC652/653被锁定在关闭模式,PWM输出端保持低电平。若将端接上高电平或者给UDD重新上电,即可使芯片和风扇从关断状态恢复到正常工作状态。为关闭风扇的输入控制端,输入为低电平时强迫风扇关闭。在关闭模式期间,TC652/653仍能监视μP的温度,若t>t_H,端就输出低电平。SENSE为检测风扇脉冲的输入端,可通过一只电阻RS来检测风扇脉冲。如检测不到脉冲信号,就说明风扇出现了故障。为超温报警端。当μP温度超过t_H时,该端输出低电平。PWM为风扇驱动脉冲的输出端,脉宽调制频率约为15Hz。

 TC652/653的内部主要包括温度传感器、A/D转换器、振荡器、温度设定及微调电路、占空比逻辑控制电路、输出级、比较器和风扇检测逻辑电路。温度信号经过A/D转换后变成温度数据,存储到内部寄存器中。该寄存器有一个预先定义好的起点温度,还有6个初始温度(t_L、t₁、t₂、t₃、t₄、t_H),t₁～t₄被平均分布在所规定的控温范围(t_L～t_H)内,详见表1。其中,t_L代表起点温度,此时,TC652的最小占空比Dmin=40%;而TC653处于自动关闭模式,TC653的Dmin改为50%。TC652/653的上、下限温度值由型号中的尾缀决定。例如,TC652AE的温度控制范围为+25～+45℃。当温度为+25℃时开启风扇(低速运行),到+45℃时风扇全速运行。

 TC652/653的基本工作原理是利用所检测到的μP温度数据,改变PWM输出信号的占空比,再通过外部功率开关管来控制直流风扇的转速,进而改善μP的散热条件。TC652的占空比调节范围为40%～100%,TC653则为50%～100%。为确保风扇工作的可靠性,在刚接通电源或从关闭模式重新启动芯片时,触发计时器使PWM的输出在高电平上保持2秒钟时间,关断模式的时序波形如图2所示。在确认风扇发生故障时,就通过内部电路使PWM、端都变成低电平。

信号具有温度滞后特性。当>t_H+10℃时,端才变成低电平,表示μP发生过热现象,可关闭μP的电源,亦可使系统中其它风扇工作在全速状态,给μP进一步降温;当tH+10℃时,端要等温度再下降5℃之后才恢复成高电平。利用其温度滞后特性,可避免产生振荡。TC652和TC653都具有关闭输出的功能。关闭风扇时,=0,1,PWM=0,芯片的工作电流降至50μA。TC653还具有自动关闭模式,当tL时,使PWM=0,能自动关闭风扇以节省电能。

2 微处理器散热保护电路的设计

2.1 TC652/653的典型应用电路

    TC652/653的典型应用电路如图3所示。TC652/653紧贴在被检测的微处理器(μP)上,由它发出的风扇故障报警信号,送到微机系统的风扇故障报警输入端,微机接收此信号后就从关断控制端给TC652/653发出一个关断信号,关闭PWM的输出。当μP的温度超过所设定的上限温度值t_H时,从端输出的超温报警信号也送至微机系统。TC652/653采用+5V电源,风扇单独使用+12V电源。外部驱动管VT采用2N2222型NPN晶体管,其主要参数为:        U_(BR)CEO=30V,I_C=150mA,I_CM=800mA,P_CM=500mW,h_FE≥50。R_B为基极限流电阻,R_S是风扇脉冲检测电阻。电容器C用来滤除高频噪声。

2.2 电路设计要点

2.2.1 驱动管的选择及典型产品的参数

    根据全速运行时的风扇电流IFAN值,可确定驱动管的类型。原则上,当IFAN≤300mA时,可选双极型晶体管或场效应管;当IFAN>300mA时,必须采用N沟道MOSFET。双极型晶体管典型产品有MPS2222、2N4410和MPS6602。N沟道MOSFET典型产品为Si2302、MPS6602和BS170。

2.2.2 基极限流电阻RB的计算

    使用双极型晶体管驱动风扇时,基极限流电阻RB值由下式确定:

式中,U_OH——PWM端输出的高电平电压;

     U_BE(SAT)——基极-发射极饱和压降;

     U_Rs——风扇电流检测电阻RS上的压降;

     I_B——基极电流。

    举例说明: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 检测电阻R_S与风扇电流I_FAN的关系

    检测电阻R_S与风扇电流I_FAN的对应关系见表2。

2.2.4 减小风扇噪声的方法

    当风扇全速运行时,所形成的扰动气流是产生音频噪声的主要原因。采用风扇转速控制器能使风扇在低于全速的转速下运行,这有助于减小风扇噪声。在调节PWM信号的占空比时,可引起音频噪声,在驱动管的基极与地之间并联一只延迟电容C可降低风扇噪声,电路如图4a所示。风扇转动力矩与电角度的关系曲线如图4b所示。加延迟电容后,可滤掉在PWM开启风扇时所形成的尖峰电压,对PWM信号起到平滑作用,使风扇的转动力矩平滑地变化,进而降低了风扇噪声。延迟电容的容量范围为0.47～1.0μF。此外,当PWM=0使VT关断时,延迟电容还能限制反向电动势的升高,对驱动管起到保护作用。