《電子技術(shù)應(yīng)用》
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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)

2009-02-13
作者:沙占友 王彥朋 孟志永

??? 摘? 要: 利用TC652和TC653型專用集成電路檢測(cè)微處理器芯片溫度及微處理器散熱保護(hù)電路的設(shè)計(jì),從而確保了微處理長(zhǎng)期安全可靠地工作。?

??? 關(guān)鍵詞: 微處理器? 集成溫度傳感器? 檢測(cè)? 散熱保護(hù)? 電路設(shè)計(jì)

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??? TC652和TC653是美國(guó)Telcom公司生產(chǎn)的專用集成電路,。它通過檢測(cè)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(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tL與上限溫度tH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,。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(cè)風(fēng)扇脈沖的輸入端,可通過一只電阻RS來檢測(cè)風(fēng)扇脈沖。如檢測(cè)不到脈沖信號(hào),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(dòng)脈沖的輸出端,脈寬調(diào)制頻率約為15Hz,。?

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??? 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(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,tL代表起點(diǎn)溫度,此時(shí),TC652的最小占空比Dmin=40%;而TC653處于自動(dòng)關(guān)閉模式,TC653的Dmin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,。?

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??? 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(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),就通過內(nèi)部電路使PWM,、端都變成低電平。?

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??? 信號(hào)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)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(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,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(cè)電阻,。電容器C用來濾除高頻噪聲,。?

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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)IFAN≤300mA時(shí),可選雙極型晶體管或場(chǎng)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(dòng)風(fēng)扇時(shí),基極限流電阻RB值由下式確定:?

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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(cè)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(cè)電阻RS與風(fēng)扇電流IFAN的關(guān)系?

??? 檢測(cè)電阻RS與風(fēng)扇電流IFAN的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2,。?

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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,。?

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參考文獻(xiàn)?

1 TC652和TC653專用集成電路.美國(guó)Telcom公司產(chǎn)品資料,1998?

2 沙占友. 新編實(shí)用數(shù)字化測(cè)量技術(shù). 北京:國(guó)防工業(yè)出版社, 1998(收稿日期:2001-11-29)

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