정밀한 저전력 콤팩트 온도 모니터링 구현에 대한 참신한 접근 방식

열은 웨어러블, 백색 가전, 의료 장비, 산업용 장비와 같은 거의 모든 전자 시스템 설계자에게 어려움을 줄 수 있습니다. 모르는 사이에 축적되는 열은 특히 문제가 될 수 있습니다. 이러한 문제를 방지하기 위해 온도 감지 IC, 정비례 온도 계수(PTC) 서미스터를 비롯하여 열을 감지하는 다양한 옵션이 제공되지만 본질적인 한계가 있습니다. 각 감지 옵션은 여러 부품을 사용하고 호스트 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)에 대한 전용 연결이 필요하며 소중한 기판 공간을 차지하고 설계하는 데 시간이 걸리며 제한된 정밀도를 가집니다.

그렇긴 하지만 설계자를 위한 새로운 옵션이 있습니다. 여러 PTC 서미스터에 사용할 수 있는 IC가 개발되어 단일 IC를 호스트 MCU에 한 번 연결하여 과열을 정밀하게 감지할 수 있습니다. 높은 수준의 설계 유연성을 제공하기 위해 이 IC는 출력 전류를 선택하여 다양한 PTC 서미스터를 지원합니다. MCU 인터페이스를 선택하고 래칭 기능을 포함할 수도 있습니다. 이 IC는 작은 1.6mm x 1.6mm x 0.55mm SOT-553 패키지로 제공되고 전류 소비가 11.3μA에 불과하므로 콤팩트 저전력 솔루션을 지원할 수 있습니다.

이 기사에서는 전자 시스템의 열원을 검토하고 감지 IC 또는 이산 소자 트랜지스터와 결합된 PTC 서미스터를 사용하여 일부 온도 모니터링 솔루션을 살펴봅니다. 또한 이러한 솔루션을 온도 측정 IC와 비교합니다. 그리고 비용 효율적인 저전력 열 차단의 전형적인 Toshiba의 IC를 소개하고 이를 적용하는 방법을 설명합니다.

열원

전자 부품에서 발생하는 열은 사용자의 안전과 장치/시스템 작동에 부정적인 영향을 줍니다. 중앙 처리 장치(CPU), 그래픽 처리 장치(GPU), 응용 분야별 IC(ASIC), 현장 프로그래밍 가능 게이트 어레이(FPGA), 디지털 신호 프로세서(DSP)와 같은 대형 IC는 상당한 양의 열을 발생할 수 있습니다. 따라서 보호가 필요하지만 이 장치에 대해서만 과도한 열을 모니터링해야 하는 것은 아닙니다.

저항을 통과하는 전류로 인해 열이 발생하며, 대형 IC의 경우 힘든 열 관리 문제를 가중시킬 수 있는 수천 또는 수백만 가지 마이크로 열원이 있습니다. 동일한 IC로 전력 핀에 바로 인접한 전압을 정밀하게 조정해야 하는 경우도 있습니다. 이를 위해 다중 위상 부하점(POL) DC-DC 컨버터 또는 저드롭아웃(LDO) 선형 조정기가 필요할 수 있습니다. POL의 전력 MOSFET 및 LDO의 패스 트랜지스터의 온스테이트 저항으로 인해 장치가 과열되어 전압 조정 정확성이 감소되고 시스템 성능이 저하될 수 있습니다.

열을 발생시키는 것은 POL과 LDO뿐만이 아닙니다. AC-DC 전원 공급 장치, 모터 구동기, 무정전 전원 공급 시스템, 태양광 인버터, 전기 차량(EV) 구동렬, 무선 주파수(RF) 증폭기, 광감지 및 거리 측정기(LiDAR) 시스템을 비롯한 다양한 시스템에서 열을 모니터링하고 관리해야 합니다. 이러한 시스템은 대규모 에너지 저장을 위한 전해 커패시터, 전압 변환 및 분리를 위한 전자기 변압기, 전기적 분리를 위한 광절연기, 레이저 다이오드를 포함할 수 있습니다.

이러한 장치의 잠재적 열원에는 전해 커패시터의 리플 전류, 변압기의 와전류, 광절연기의 LED 전류 흐름, LiDAR의 레이저 다이오드가 있습니다. 온도 모니터링은 이러한 모든 경우에 안전, 성능 및 신뢰성을 향상시킬 수 있습니다.

기존 PTC 서미스터 접근 방식

온도 모니터링은 열 차단의 중요한 첫 단계입니다. 과열 조건이 확인된 경우 수정 조치를 취할 수 있습니다. PTC 서미스터를 사용하여 pc 기판의 온도를 모니터링하는 경우도 있습니다. PTC 서미스터의 열이 상승하면 전기 저항이 증가합니다. PTC 서미스터 설계는 과전류, 단락 회로 보호, 온도 모니터링과 같은 특정 기능에 최적화되어 있습니다. 온도 모니터링 PTC 서미스터는 높은 온도 계수를 가진 반도체 세라믹을 사용하여 제작됩니다. 이 서미스터는 실내 온도에서 상대적으로 낮은 저항 값을 갖지만, 퀴리 온도 이상으로 과열되면 저항이 빠르게 증가합니다.

PTC 서미스터를 개별적으로 사용하여 GPU와 같은 특정 장치를 모니터링하거나, 여러 PTC 서미스터를 직렬로 사용하여 POL의 MOSFET과 같은 광범위한 장치 그룹을 모니터링할 수 있습니다. PTC 서미스터를 사용하여 온도 모니터링을 구현하는 몇 가지 방법이 있습니다. 두 가지 일반적인 방법은 센서 IC 또는 이산 소자 트랜지스터를 사용하여 PTC 서미스터의 저항을 모니터링하는 것입니다(그림 1).

그림 1: PTC 서미스터를 사용하여 온도를 모니터링하는 두 가지 일반적인 체계에는 센서 인터페이스 IC(왼쪽) 및 이산 소자 트랜지스터 솔루션(오른쪽)이 포함됩니다. (이미지 출처: Toshiba)

두 경우 모두 PTC 서미스터 체인에 대해 호스트 MCU에 대한 단일 연결이 있습니다. 이러한 방식 간에 몇 가지 장단점이 있습니다.

• 부품 수: 트랜지스터 접근 방식에 필요한 장치 수는 6개인 데 비해 IC 솔루션에서는 3개 부품을 사용합니다.
• 실장 면적: IC 솔루션은 더 적은 부품을 사용하므로 더 작은 PC 기판 면적이 필요합니다.
• 정밀성: 두 접근 방식 모두 공급 전압 변경에 취약하지만, 트랜지스터 접근 방식은 온도 상승에 따른 트랜지스터 특성 변경에도 취약합니다. 전체적으로 IC 접근 방식이 더 나은 정밀성을 제공할 수 있습니다.
• 비용: 트랜지스터 접근 방식에서는 저렴한 장치를 사용하여 IC 접근 방식에 비해 비용 이점을 제공할 수 있습니다.

센서 IC 및 Thermoflagger

PTC 서미스터 대신 여러 온도 감지 IC를 사용할 수 있습니다. 온도 감지 IC는 다이 온도를 측정하여 pc 기판 온도를 예측합니다. pc 기판과 IC 사이의 열 저항이 낮을수록 온도 예측이 더 정확합니다. pc 기판에 올바르게 실장된 온도 감지 IC는 매우 정확한 측정치를 제공할 수 있습니다. 온도 감지 IC 사용을 제한하는 두 가지 요소는 온도를 측정해야 하는 지점마다 IC를 배치해야 한다는 것과 각 IC에 호스트 MCU에 대한 전용 연결이 필요하다는 것입니다.

Toshiba의 Thermoflagger는 네 번째 옵션을 제공합니다. Thermoflagger를 사용하면 온도 측정 IC를 사용할 때에 비해 부품을 하나만 더 추가하여 온도 측정 회로를 구현할 수 있습니다. Thermoflagger 솔루션은 호스트 MCU에 여러 번 연결할 필요 없이 단일 MCU 연결만 필요하므로, 저렴한 PTC 서미스터를 사용하여 여러 위치를 동시에 모니터링할 수 있습니다(그림 2).

그림 2: 온도 센서 IC 모니터링에서는 일반적으로 잠재적 열원마다 하나의 IC가 필요하고 각 센서 IC마다 MCU에 연결해야 하지만(왼쪽), Thermoflagger 플러스 다중 PTC 서미스터 솔루션에는 단일 MCU 연결이 있습니다(오른쪽). (이미지 출처: Toshiba)

Thermoflagger를 고려해야 할 기타 이유:

• 다른 솔루션에 비해 더 적은 pc 기판 면적을 차지합니다.
• 전원 공급 장치 전압 변화의 영향을 받지 않습니다.
• 간단한 이중 온도 모니터링을 구현하는 데 사용할 수 있습니다.

Thermoflagger 솔루션 구성

Thermoflagger는 연결된 PTC 서미스터에 작은 정전류를 공급하고 저항을 모니터링합니다. 개별 PTC 서미스터 또는 PTC 서미스터 체인을 모니터링할 수 있습니다. 높은 온도에서 모니터링 중인 특정 PTC 서미스터에 따라 PTC 서미스터의 저항이 빠르게 증가하면 Thermoflagger에서 저항 증가를 감지합니다. 다른 정전류(1µA 또는 10µA)를 가진 Thermoflagger는 다양한 PTC 서미스터를 수용합니다. 전류 소비가 11.3μA에 불과한 Thermoflagger는 저전력 모니터링을 지원하도록 설계되었습니다.

감지 트리거 온도는 사용되는 특정 PTC 서미스터에 따라 결정되며 다른 서미스터를 대체하여 변경될 수 있습니다. 과열이 발생하면 Thermoflagger는 PTC 서미스터에서 저항 증가를 감지하고 PTCGOOD 출력 변경을 트리거하여 MCU에 경고합니다(그림 3).

그림 3: Thermoflagger는 정상 작동 온도와 관련된 낮은 저항과 비교하여(위쪽) 과열된 PTC 서미스터의 저항 증가를 감지합니다(아래쪽). (이미지 출처: Toshiba)

Thermoflagger 작동 방식

Thermoflagger는 출력이 호스트 MCU 연결에 최적화된 정밀한 아날로그 IC입니다. 다음 작동 설명에서는 아래 그림 4의 숫자를 참조합니다.

1. 정전류가 PTCO 단자에서 공급되어 하나 이상의 연결된 PTC 서미스터의 저항을 사용하여 전압으로 변환됩니다. Thermoflagger 솔루션을 공급 전압 변화에 민감하지 않게 만드는 것은 내부 정전류원이며, 이는 다른 온도 모니터링 기술에 비해 중요한 차별화 요소입니다. PTC 서미스터가 과열되어 저항이 크게 증가하면 PTCO 전압이 공급 전압(V_DD)을 높입니다. 또한 PTCO 단자가 개방되면 PTCO 전압이 V_DD를 높입니다.
2. PTCO 전압이 감지 전압을 초과하면 비교기의 출력이 도치되어 ‘낮은’ 출력이 전송됩니다. PTCO 출력 정확성은 ±8%입니다.
3. Thermoflagger IC는 개방 드레인 및 푸시풀의 두 가지 출력 형식으로 제공됩니다. 개방 드레인 출력에는 풀업 저항기가 필요합니다. 푸시풀 출력에는 저항기가 필요하지 않습니다.
4. PTC 서미스터의 온도 감소로 인해 출력이 변경되지 않도록 비교기 출력은 도치된 후 래칭에 저장됩니다(Thermoflagger에 래치 기능(선택 사항)이 포함되어 있다고 가정).
5. RESET 핀에 신호를 적용하면 래치가 해제됩니다.

그림 4: 호스트 MCU 연결에 출력이 최적화된 정밀 아날로그 IC인 Thermoflagger의 주요 기능을 보여주는 제품 구성도 (이미지 출처: Toshiba)

응용 시 고려 사항

Thermoflagger 솔루션은 SoC(시스템온칩)와 같은 대형 CI 및 산업용 시스템과 소비자 시스템의 모터 구동 회로에 대한 전원 공급 장치 회로에서 MOSFET 또는 LDO를 모니터링할 때 특히 유용할 수 있습니다. 일반적인 응용 분야에는 노트북 컴퓨터(그림 5), 로봇 진공 청소기, 백색 가전, 프린터, 배터리 구동 수공구, 웨어러블 및 유사한 장치가 있습니다. Thermoflagger IC의 예:

1. TCTH021BE: 10µA PTCO 출력 전류 및 비 래칭 개방 드레인 출력
2. TCTH022BE: 10µA PTCO 출력 전류 및 래칭 개방 드레인 출력
3. TCTH021AE: 10µA PTCO 출력 전류 및 래칭 푸시풀 출력

그림 5: 노트북 컴퓨터의 일반 Thermoflagger 구현을 보여줍니다. (이미지 출처: Toshiba)

모든 정밀 IC와 마찬가지로 Thermoflagger는 다음과 같은 특정 시스템 통합 고려 사항이 있습니다.

• PTCO 핀에 대한 인가 전압이 1V를 초과하지 않아야 합니다.
• 내부 비교기의 안정적인 작동을 보장하려면 Thermoflagger를 시스템 잡음으로부터 보호해야 합니다.
• pc 기판을 통해 Thermoflagger IC에 열이 전달되지 않도록 Thermoflagger IC와 PTC 서미스터를 충분한 간격으로 배치해야 합니다.
• V_DD와 GND 사이에 배치되는 감결합 커패시터는 안정적인 작동을 보장하는 데 도움이 됩니다.
• 모든 GND 핀을 시스템 접지에 연결해야 합니다.

간단한 이중화

일부 시스템에서는 이중 온도 모니터링을 활용할 수 있습니다. 고가의 IC를 모니터링하거나 중요한 기능이 포함되는 경우에 특히 그렇습니다. Thermoflagger는 단순성과 작은 솔루션 크기로 인해 추가적인 온도 모니터링 계층을 쉽게 통합하여 강력하고 안정적인 온도 모니터링 시스템을 구축할 수 있습니다(그림 6).

그림 6: Thermoflagger는 온도 모니터링 IC를 기반으로 하는 기본 온도 모니터링 솔루션(왼쪽)에 계층 또는 이중화(오른쪽)를 추가할 수 있습니다. (이미지 출처: Toshiba)

결론

안정적인 시스템 성능을 보장하기 위해 설계자는 과도한 열을 모니터링해야 합니다. 온도 감지 IC, PTC 서미스터를 비롯한 여러 열 모니터링 옵션이 제공됩니다. Toshiba의 Thermoflagger는 여러 저비용 PTC 서미스터 사용, 작은 실장 면적, 적은 부품 수, MCU에 대한 단일 연결, 전력 공급 장치 변동에 대한 내성, 간단한 이중 온도 모니터링 구현 옵션 등 많은 이점을 제공하는 최신 옵션입니다.