摘  要: 利用TC652和TC653型专用集成电路检测微处理器芯片温度及微处理器散热保护电路的设计,从而确保了微处理长期安全可靠地工作。 

    关键词: 微处理器  集成温度传感器  检测  散热保护  电路设计

    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t_L与上限温度t_H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。U_DD、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U_DD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R_S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,tL代表起点温度,此时,TC652的最小占空比D_min=40%;而TC653处于自动关闭模式,TC653的D_min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>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I_FAN≤300mA时,可选双极型晶体管或场效应管;当I_FAN>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R_B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R_S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RS与风扇电流IFAN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。 

参考文献 

1 TC652和TC653专用集成电路.美国Telcom公司产品资料,1998 

2 沙占友. 新编实用数字化测量技术. 北京:国防工业出版社, 1998(收稿日期:2001-11-29)