精準監測溫度的新方法，兼具緊湊與低功率特性

對於穿戴式裝置、白色家電、醫療設備和工業設備等電子系統的設計人員而言，如何散熱是需要攻克的一大難題。若熱量慢慢蓄積，我們卻渾然不知，可能會帶來大麻煩。而現今，我們可以使用幾種熱量偵測方法來避免這一問題，包括溫度感測 IC 和正溫度係數 (PTC) 熱敏電阻。不過，這些方法有其侷限性。每種感測方法都會使用多個元件，而且需要與主機微控制器單元 (MCU) 進行專用連接。此外，這些元件的設計耗時，而且還會佔用寶貴的電路板空間，精密度也有限。

不過，設計人員有了全新選擇。IC 已發展成與多個 PTC 熱敏電阻結合使用，這些電阻和主機 MCU 單次串接，因此只要一個 IC 就能精準偵測是否過熱。為了提高設計的靈活性，這些 IC 會選擇輸出電流來支援各種 PTC 熱敏電阻。搭配廣泛的 MCU 介面，並能具備閂鎖功能。採用 1.6 x 1.6 x 0.55 mm SOT-553 小型封裝，電流消耗量僅 11.3 μA，使解決方案兼具緊湊與低功率特性。

本文回顧電子系統中的熱源，並探討數種結合 PTC 熱敏電阻與感測 IC 或離散式電晶體的溫度監測解決方案。文中還將這些解決方案與溫度量測 IC 進行比較。文章介紹並說明 Toshiba IC 的運用方式。此款 IC 兼具低功率、成本效益與熱保護能力。

熱源

電子元件產生的熱量，會對使用者安全和元件／系統的運作產生負面影響。許多大型 IC 都可能產生大量熱量，如中央處理器 (CPU)、圖形處理單元 (GPU)、應用特有 IC (ASIC)、現場可編程閘陣列 (FPGA) 和數位訊號處理器 (DSP)。這些 IC 雖然需獲得保護，但不是只有這種元件必須監測是否過熱。

流經電阻的電流會產生熱量，而在大型 IC 中存在數千或數百萬個微小的熱源，可能會給熱管理帶來巨大的挑戰。大型 IC 也常必須緊鄰電源引腳精準地調節電壓。對此，可能需使用多相負載點 (POL) DC-DC 轉換器或低壓降 (LDO) 線性穩壓器。負載點功率 MOSFET 和低壓降穩壓器的開關電晶體的導通電阻，可能會導致元件過熱，從而降低電壓調節的準確度並影響系統效能。

產生熱量的不只是負載點和低壓降。要監測和管理熱量的系統五花八門，包括 AC-DC 電源供應器、馬達驅動器、不斷電系統、太陽能逆變器、電動車 (EV) 傳動系統、無線射頻 (RF) 放大器以及光達 (LiDAR) 系統。這些系統可能裝有大型儲能的電解電容、用於電壓轉換和隔離的電磁變壓器、用於電氣隔離的光隔離器，以及雷射二極體。

電解電容內的漣波電流、變壓器內的渦電流、光隔離器 LED 內的電流和 LiDAR 內的雷射二極體，都是這些元件的潛在熱源。因此，監測溫度有助提高元件的安全性、效能和可靠性。

傳統 PTC 熱敏電阻方法

監測溫度是熱保護的第一步，也是最重要的一步。發現過熱後，即可立即採取補救措施。PTC 熱敏電阻常用於監測電路板的溫度。PTC 熱敏電阻的電阻率會隨溫度升高而增加。PTC 熱敏電阻的設計針對過電流、短路保護和溫度監測等特定功能進行了最佳化。溫度監測 PTC 熱敏電阻由高溫度係數的半導體陶瓷製成。這種元件在室溫下的電阻值相對較低，但一旦加熱到超過居禮溫度，電阻值便會迅速上升。

PTC 熱敏電阻能單獨用於監測 GPU 等特定元件，也能進行串聯，以監測負載點中的 MOSFET 等更多元件。要利用 PTC 熱敏電阻來監測溫度，有幾種方法。兩種常見的方法是使用感測器 IC 或離散式電晶體來監測 PTC 熱敏電阻的電阻值 (圖 1)。

圖 1：現今有兩種採用 PTC 熱敏電阻的常見溫度監測方法，這些方法涉及感測器介面 IC (左) 和離散式電晶體解決方案 (右)。(圖片來源：Toshiba)

在這兩種情況下，一連串 PTC 熱敏電阻與主機 MCU 進行單次串接。這些方法各有一些優缺點：

• 元件數：IC 解決方案使用三個元件，電晶體方法則需要六個元件
• 安裝面積：IC 解決方案使用的元件較少，因此所需的電路板面積較小
• 精確度：這兩種方法都容易受電源電壓變化的影響，但使用電晶體方法時，電晶體特性也容易隨著溫度升高而變化。總體而言，IC 方法的精確度更高
• 成本：電晶體方法使用低價的元件，與 IC 方法相比更具成本優勢

感測器 IC 和 Thermoflagger

可以用多個溫度感測 IC 代替 PTC 熱敏電阻。溫度感測 IC 會測量晶粒的溫度以預估電路板的溫度。電路板和 IC 之間的熱阻越低，溫度預估值越準。當溫度感測 IC 正確安裝於電路板時，即可提供非常準確的量測結果。使用溫度感測 IC 有兩個限制因素，一是必須在每個需測量溫度的位置放置 IC，二是每個 IC 都需要與主機 MCU 建立專用連接。

Toshiba 的 Thermoflagger 提供了第四種熱監測方法。比起使用溫度測量 IC，Thermoflagger 只要再搭配一個元件就能實作溫度測量電路。Thermoflagger 解決方案不需要與主機 MCU 建立多個連接，只需單次連接 MCU，因此可使用低價的 PTC 熱敏電阻同時監測多個位置 (圖 2)。

圖 2：使用溫度感測器 IC 進行監測，通常需要在每個潛在熱源上使用一個 IC，每個感測器 IC 也必須分別連接至 MCU (左圖)；但若使用 Thermoflagger 並搭配多個 PTC 熱敏電阻，只需單次連接 MCU (右圖)。(圖片來源：Toshiba)

使用 Thermoflagger 的其他理由：

• 比起其他解決方案，Thermoflagger 所需的電路板面積較小
• 不受電源電壓變化的影響。
• 可用來實作簡單的備援溫度監測

Thermoflagger 解決方案的組成元素

Thermoflagger 為連接的 PTC 熱敏電阻提供微小的恆定電流，並監測其電阻值。此元件能監測單一或是一連串 PTC 熱敏電阻。當溫度升高，PTC 熱敏電阻的電阻會迅速上升 (視監測的 PTC 熱敏電阻而定)，而 Thermoflagger 會偵測此狀況。Thermoflagger 具有不同恆定電流 (如 1 或 10 µA)，能適用於多種 PTC 熱敏電阻。Thermoflagger 的電流消耗量為 11.3 μA，專為達到低功率監測所設計。

偵測觸發溫度取決於使用的 PTC 熱敏電阻，如需其他溫度值，替換熱敏電阻即可。發生過熱時，Thermoflagger 會偵測出 PTC 熱敏電阻的電阻值增加，PTCGOOD 輸出會變化，以提醒 MCU (圖 3)。

圖 3：正常工作溫度時電阻值較低 (上圖)，但相比之下，Thermoflagger 會在 PTC 熱敏電阻受熱時感測到電阻值上升 (下圖)。(圖片來源：Toshiba)

Thermoflagger 的工作原理

Thermoflagger 是一種精密類比 IC，其輸出針對主機 MCU 連接進行了最佳化。以下各項針對運作的描述，可與下方圖 4 的數字對應：

1. 恆定電流由 PTCO 端子提供，並使用一或多個連接之 PTC 熱敏電阻的電阻轉換成電壓。這個內部恆定電流來源，使 Thermoflagger 解決方案對電源電壓的變化不敏感，使得 Thermoflagger 與其他溫度監測技術截然不同。如果 PTC 熱敏電阻受熱，電阻大幅增加，PTCO 電壓就會上升至電源電壓 (V_DD)。如果 PTCO 端子開啟，PTCO 電壓也會上升至 V_DD。
2. 如果 PTCO 電壓超過偵測電壓，比較器的輸出會反轉並傳送「Low」(低) 輸出訊號。PTCO 輸出準確度為 ±8%。
3. Thermoflagger IC 有兩種輸出格式，即開汲極和推挽式。開汲極輸出需要上拉電阻。推挽式輸出則不需要電阻。
4. Thermoflagger 如果選配閂鎖功能，會在比較器輸出反轉時鎖定，以免輸出因 PTC 熱敏電阻溫度下降而改變。
5. 對 RESET (重置) 引腳施加訊號後即可解鎖。

圖 4：此方塊圖顯示 Thermoflagger 的關鍵功能。Thermoflagger 是一種精密類比 IC，其輸出針對主機 MCU 連接進行最佳化。(圖片來源：Toshiba)

應用注意事項

Thermoflagger 解決方案尤能幫助系統單晶片 (SoC) 等大型 IC，監測其電源電路的 MOSFET 或低壓降穩壓器 (LDO)，對工業和消費性系統的馬達驅動電路亦尤其適用。典型應用包括筆記型電腦 (圖 5)、掃地機器人、白色家電、印表機、電池供電型手工具、穿戴式裝置，以及其他類似裝置。Thermoflagger IC 的例子包括：

1. TCTH021BE - 具有 10 µA PTCO 輸出電流和非閂鎖開汲極輸出
2. TCTH022BE - 具有 10 µA PTCO 輸出電流和閂鎖開汲極輸出
3. TCTH021AE - 具有 10 µA PTCO 輸出電流和閂鎖推挽式輸出

圖 5：Thermoflagger 一般在筆記型電腦中的實作。(圖片來源：Toshiba)

Thermoflagger 和所有精密 IC 一樣都有特定的系統整合考量，包括：

• 施加至 PTCO 引腳的電壓不應超過 1 V
• Thermoflagger 應避免受系統雜訊影響，確保內部比較器能可靠運作
• Thermoflagger IC 和 PTC 熱敏電阻應保持適當距離，以防熱量經由電路板傳輸至 Thermoflagger IC
• V_DD 和 GND 之間的解耦電容，有助於確保運作的穩定性
• 所有 GND 引腳必須與系統接地相連

簡單備援

某些系統能從備援溫度監測功能中獲益，特別是監測昂貴的 IC 或涉及關鍵功能時。Thermoflagger 是一種簡易小巧的解決方案，方便額外整合溫度監測層，從而形成穩健可靠的溫度監測系統 (圖 6)。

圖 6：Thermoflagger 能根據溫度監測 IC (左)，為基本溫度監測解決方案增加分層或備援功能 (右)。(圖片來源：Toshiba)

結論

為了確保系統可靠運作，設計人員需對多餘的熱量進行監測。現今有幾種熱監測方法可供選擇，包括溫度感測 IC 和 PTC 熱敏電阻。Toshiba 的 Thermoflagger 是一種較新的熱監測方法，優點眾多，包括使用多個低成本 PTC 熱敏電阻、覆蓋區較小、元件數較少、與 MCU 單次串接、具有電源波動抗擾性，還能實作簡單的備援溫度監測功能。