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Autore: William Cooper, Marketing and Applications Director, Temperature and Humidity Sensors TI
Spesso la riduzione delle dimensioni dei circuiti integrati (IC) è considerata come un semplice percorso che conduce verso circuiti stampati (PCB) più compatti o verso la possibilità di aggiungere funzionalità senza aumentare il fattore di forma di un sistema. Inoltre, mentre i sistemi che vanno dall’elettronica indossabile alle telecamere automobilistiche continuano a spingersi oltre i limiti dei fattori di forma fisica, l’integrazione della catena del segnale di rilevamento di temperatura e la riduzione delle dimensioni dei sensori di temperatura possono incidere direttamente sulla precisione e sui tempi di risposta per la misurazione della temperatura. L’aumento della precisione e la riduzione dei tempi di risposta termica dei sensori di temperatura contribuiscono in definitiva ad aumentare l’efficienza del sistema monitorato e a migliorare la protezione dal surriscaldamento.
Maggiore precisione grazie all’integrazione
Nonostante la riduzione delle dimensioni di un sensore di temperatura non integrato possa consentire di avvicinarne il posizionamento agli hotspot di un sistema e consenta una maggiore velocità di risposta termica, essa fa anche sì che i sistemi diventino più suscettibili agli errori causati dalla tolleranza del sistema e dal rumore. Un termistore a coefficiente di temperatura negativo (NTC), una delle forme più semplici di sensore di temperatura, ne è un esempio. I termistori sono fra le opzioni più piccole per una pura funzione di rilevamento: tuttavia, questi componenti richiedono una polarizzazione di tensione o corrente con una rete di resistenze. In definitiva, l’errore di misurazione totale diventa una funzione della stessa tolleranza del termistore, della tolleranza della resistenza di polarizzazione e degli errori di alimentazione di tensione. Inoltre, questa catena di segnali discreti rende il sistema suscettibile al rumore: questo riguarda in particolare i sistemi che utilizzano termistori NTC, i quali presentano variazioni di resistenza molto piccole all’aumentare della temperatura. Occorre quindi fare delle scelte per affrontare l’errore causato dal rumore nel sistema o per inserire più componenti di filtraggio del segnale. Anche dopo aver considerato gli errori di composizione, la capacità di reagire alla precisione di questa catena di segnali dipende dalla risoluzione del convertitore analogico/digitale. Nonostante la famiglia di termistori lineari TMP61 di TI migliori la precisione e le dimensioni rispetto ai tradizionali termistori NTC, le sfide da affrontare rimangono.
Indipendentemente dalle dimensioni dell’applicazione finale, l’unico modo per garantire una maggiore precisione di misurazione della temperatura è integrare l’intera catena del segnale di rilevamento. Un sensore di temperatura integrato non si limita a offrire una specifica di precisione direttamente applicabile nel sistema, ma può anche ridurre drasticamente le dimensioni complessive del sistema riducendo al minimo i circuiti esterni ed eliminando il routing del circuito stampato richiesto per un’implementazione discreta.
Ad esempio, per proteggere il sensore di immagine in una telecamera automotive, spesso i progettisti collegano un circuito a termistore ad un comparatore per il rilevamento della soglia di temperatura. Se il sensore di immagine ha una temperatura operativa massima di 115 °C ma le temperature del sistema possono raggiungere i 125 °C, è necessaria una soglia di spegnimento per evitare danni permanenti. Anche a 100 °C il sistema può ridurre le velocità del processore, il tempo di aggiornamento dell’immagine o altri parametri per evitare che la temperatura raggiunga il punto di spegnimento completo.
La Tabella 1 mostra come l’interruttore a doppia soglia integrato TMP392 offra un risparmio di superficie del 42% rispetto ad un’implementazione discreta che utilizza termistori e un comparatore. Questa riduzione di superficie garantisce inoltre una precisione di rilevamento della temperatura di ±1,5 °C da 0 °C a 70 °C e di ±3 °C da –55 °C a 130 °C.
| Parametro | TMP390 o TMP392 | Soluzioni discrete | Vantaggi dell’utilizzo di TMP390 o TMP392 |
| Area di circuito minima | 6,55 mm × 4 mm (26,2 mm2) |
7,22 mm × 6,25 mm (45,1 mm2) | Superficie circuito stampato 42% più piccola |
| Numero minimo di componenti esterni | 4 resistenze + 1 condensatore |
8 resistenze (termistori inclusi) + 1 condensatore + 1 amplificatore operazionale |
50% di componenti in meno |
| Numero minimo di resistenze di tolleranza all’1% | 4 | 7 | Risparmio diretto del 43% per resistori all’1% |
| Considerazione sul circuito stampato | Nessuna via | Minimo 3 vie | Miglioramento dei costi di produzione del circuito stampato |
| Test di scatto | Sì | No | Supporta l’autotest di produzione |
| Flessibilità del circuito | Senza progetto; semplice scambio delle resistenze | Il circuito deve essere riprogettato e testato | Riduzione del time to market |
| Costo complessivo | Minore | Maggiore | Riduzione dei costi di produzione grazie al minor numero di componenti |
Tabella 1: Schema di un circuito discreto di rilevamento a doppia soglia, a confronto con il termostato integrato TMP390 o TMP392
Le dimensioni migliorano la risposta termica
Mentre l’integrazione di una catena di segnali di rilevamento della temperatura può ridurre al minimo gli errori a livello di sistema e ridurre lo spazio sul circuito stampato, la precisione e la velocità della risposta termica sono correlate anche alla massa termica e al posizionamento dell’elemento di rilevamento. La massa termica è la capacità di un materiale di immagazzinare energia termica. Poiché dispositivi più grandi tendono ad avere una massa termica maggiore, richiedono anche più tempo per assorbire il calore dall’ambiente; pertanto, il sistema non è in grado di reagire alle variazioni termiche altrettanto rapidamente. Si tratta di un concetto abbastanza semplice, ma è ulteriormente complicato dai potenziali percorsi di variazione di temperatura che attraversano il circuito stampato o dall’aria intorno al sensore. A seconda degli obiettivi, è possibile isolare un componente dai componenti che generano calore sul circuito stampato o accoppiare il sensore avvicinandolo il più possibile ad un componente che genera calore, come descritto nel rapporto applicativo «Sensori di temperatura: linee guida per circuiti stampati per dispositivi a montaggio superficiale».
Oltre a ottimizzare un progetto per misurare la temperatura di interesse, gli ingegneri si trovano sempre a compiere dei compromessi tra riduzione delle dimensioni degli elementi di rilevamento e aumento dei livelli di integrazione. Ora non è più necessario prendere una decisione in tal senso. I sensori di temperatura digitali TMP114 e TMP144 di TI sono disponibili in un package da 0,758 mm x 0,758 mm, con un’altezza di 0,15 mm, ossia più sottile dei tipici componenti passivi come i termistori NTC. Questi sottili sensori di temperatura consentono non soltanto un posizionamento molto vicino ai componenti che generano calore, ma, come mostrato nella Figura 1, i sensori sono abbastanza piccoli da essere posizionati tra le sfere di saldatura di un processore per ottimizzare il monitoraggio termico.
Figura 1: Sensore di temperatura digitale TMP114 da 1,08 a 1,98 V montato sotto un processore TI (vista laterale e inferiore del rendering del circuito stampato)
Sebbene i componenti più piccoli del circuito integrato possano certamente contribuire a ridurre le dimensioni del sistema, è la dimensione dei sensori di temperatura ad influire sulle prestazioni del sistema. Anziché dover raggiungere un compromesso tra una rapida reazione alle variazioni di temperatura (per prevenire danni al sistema in caso di cortocircuito o deterioramento della batteria) e mantenere la massima precisione (per estendere i limiti termici di un processore o sistema nell’ambito dello spegnimento termico richiesto), ora è possibile sfruttare il TMP114 e TMP144 per raggiungere entrambi gli obiettivi.
Risorse supplementari
Leggete l’articolo tecnico «Come scegliere il termistore giusto per la propria applicazione di rilevamento della temperatura».
Consultate il rapporto applicativo «Riduzione delle dimensioni del sistema tramite soluzioni integrate per il rilevamento della soglia di temperatura».
Leggete il rapporto applicativo «Monitoraggio sotto-componente con sensori di temperatura estremamente piccoli».
