??? 摘? 要: 利用TC652和TC653型專用集成電路檢測微處理器芯片溫度及微處理器散熱保護電路的設計,從而確保了微處理長期安全可靠地工作。?

??? 關鍵詞: 微處理器? 集成溫度傳感器? 檢測? 散熱保護? 電路設計

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??? TC652和TC653是美國Telcom公司生產的專用集成電路。它通過檢測微機系統中微處理器(μP)的溫度,控制無刷直流風扇的轉速,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機和筆記本電腦中的散熱保護電路,還適用于機頂盒(Set-Top Box)、數字通信設備、微機外設、儀器儀表及測控系統中。二者的區別是TC653增加了自動關閉模式,在低于下限溫度時能自動關閉風扇,以節省電能。?

1 TC652/653的性能特點及工作原理?

1.1 性能特點?

??? (1)TC652/653內含集成溫度傳感器和A/D轉換器,是一種能同時檢測μP溫度和風扇運行狀況的溫度控制專用IC。?

??? (2)測溫范圍為-40～+125℃。在+25～+70℃范圍內測溫精度可達±1%(典型值)。?

??? (3)采用脈寬調制(PWM)方式,利用一個分級的轉速控制器對風扇進行多級調速。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扇的使用壽命,節省電能,還可降低風扇噪聲。?

??? (4)全部程序已固化在芯片內部,不需要上層軟件支持,也不受微機控制?？販胤秶?即下限溫度t_L與上限溫度t_H的間隔)依型號中的尾綴而定,共有10種規格。?

??? (5)電源電壓范圍寬(+2.8～+5.5V),微功耗(靜態工作電流僅為50μA)。?

1.2 工作原理?

??? TC652/653的內部框圖如圖1所示。它們均采用8腳MSOP封裝。U_DD、GND分別為正電源端和公共地。為風扇故障報警輸出端,輸出低電平時表示風扇發生了故障。有故障時,TC652/653被鎖定在關閉模式,PWM輸出端保持低電平。若將端接上高電平或者給U_DD重新上電,即可使芯片和風扇從關斷狀態恢復到正常工作狀態。為關閉風扇的輸入控制端,輸入為低電平時強迫風扇關閉。在關閉模式期間,TC652/653仍能監視μP的溫度,若t>t_H,端就輸出低電平。SENSE為檢測風扇脈沖的輸入端,可通過一只電阻R_S來檢測風扇脈沖。如檢測不到脈沖信號,就說明風扇出現了故障。為超溫報警端。當μP溫度超過t_H時,該端輸出低電平。PWM為風扇驅動脈沖的輸出端,脈寬調制頻率約為15Hz。?

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??? TC652/653的內部主要包括溫度傳感器、A/D轉換器、振蕩器、溫度設定及微調電路、占空比邏輯控制電路、輸出級、比較器和風扇檢測邏輯電路。溫度信號經過A/D轉換后變成溫度數據,存儲到內部寄存器中。該寄存器有一個預先定義好的起點溫度,還有6個初始溫度(t_L、t₁、t₂、t₃、t₄、t_H),t₁～t₄被平均分布在所規定的控溫范圍(t_L～t_H)內,詳見表1。其中,tL代表起點溫度,此時,TC652的最小占空比D_min=40%;而TC653處于自動關閉模式,TC653的D_min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℃。當溫度為+25℃時開啟風扇(低速運行),到+45℃時風扇全速運行。?

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??? TC652/653的基本工作原理是利用所檢測到的μP溫度數據,改變PWM輸出信號的占空比,再通過外部功率開關管來控制直流風扇的轉速,進而改善μP的散熱條件。TC652的占空比調節范圍為40%～100%,TC653則為50%～100%。為確保風扇工作的可靠性,在剛接通電源或從關閉模式重新啟動芯片時,觸發計時器使PWM的輸出在高電平上保持2秒鐘時間,關斷模式的時序波形如圖2所示。在確認風扇發生故障時,就通過內部電路使PWM、端都變成低電平。?

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??? 信號具有溫度滯后特性。當t>t_H+10℃時,端才變成低電平,表示μP發生過熱現象,可關閉μP的電源,亦可使系統中其它風扇工作在全速狀態,給μP進一步降溫;當tH+10℃時,端要等溫度再下降5℃之后才恢復成高電平。利用其溫度滯后特性,可避免產生振蕩。TC652和TC653都具有關閉輸出的功能。關閉風扇時,=0,=1,PWM=0,芯片的工作電流降至50μA。TC653還具有自動關閉模式,當tL時,使PWM=0,能自動關閉風扇以節省電能。?

2 微處理器散熱保護電路的設計?

2.1 TC652/653的典型應用電路?

??? TC652/653的典型應用電路如圖3所示。TC652/653緊貼在被檢測的微處理器(μP)上,由它發出的風扇故障報警信號,送到微機系統的風扇故障報警輸入端,微機接收此信號后就從關斷控制端給TC652/653發出一個關斷信號,關閉PWM的輸出。當μP的溫度超過所設定的上限溫度值t_H時,從端輸出的超溫報警信號也送至微機系統。TC652/653采用+5V電源,風扇單獨使用+12V電源。外部驅動管VT采用2N2222型NPN晶體管,其主要參數為: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是風扇脈沖檢測電阻。電容器C用來濾除高頻噪聲。?

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2.2 電路設計要點?

2.2.1 驅動管的選擇及典型產品的參數?

??? 根據全速運行時的風扇電流IFAN值,可確定驅動管的類型。原則上,當I_FAN≤300mA時,可選雙極型晶體管或場效應管;當I_FAN>300mA時,必須采用N溝道MOSFET。雙極型晶體管典型產品有MPS2222、2N4410和MPS6602。N溝道MOSFET典型產品為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動風扇時,基極限流電阻R_B值由下式確定:?

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式中,U_OH——PWM端輸出的高電平電壓;?

???? U_BE(SAT)——基極-發射極飽和壓降;?

???? U_Rs——風扇電流檢測電阻R_S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RS與風扇電流IFAN的關系?

??? 檢測電阻R_S與風扇電流I_FAN的對應關系見表2。?

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2.2.4 減小風扇噪聲的方法?

??? 當風扇全速運行時,所形成的擾動氣流是產生音頻噪聲的主要原因。采用風扇轉速控制器能使風扇在低于全速的轉速下運行,這有助于減小風扇噪聲。在調節PWM信號的占空比時,可引起音頻噪聲,在驅動管的基極與地之間并聯一只延遲電容C可降低風扇噪聲,電路如圖4a所示。風扇轉動力矩與電角度的關系曲線如圖4b所示。加延遲電容后,可濾掉在PWM開啟風扇時所形成的尖峰電壓,對PWM信號起到平滑作用,使風扇的轉動力矩平滑地變化,進而降低了風扇噪聲。延遲電容的容量范圍為0.47～1.0μF。此外,當PWM=0使VT關斷時,延遲電容還能限制反向電動勢的升高,對驅動管起到保護作用。?

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參考文獻?

1 TC652和TC653專用集成電路.美國Telcom公司產品資料,1998?

2 沙占友. 新編實用數字化測量技術. 北京:國防工業出版社, 1998(收稿日期:2001-11-29)