PSoC Thermal Management Expansion Board Kit CY8CKIT - 036 深度解析

在電子設備的設計中，熱管理是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。它不僅關(guān)系到設備的性能穩(wěn)定性，還對功耗和噪音控制有著重要影響。今天，我們就來詳細探討一下 PSoC Thermal Management Expansion Board Kit CY8CKIT - 036，看看它是如何助力熱管理設計的。

文件下載：CY8CKIT-036.pdf

1. 套件概述

1.1 熱管理簡介

熱管理是溫度傳感、風扇控制以及將溫度映射到風扇速度的算法或傳遞函數(shù)的組合。它是一個關(guān)鍵的系統(tǒng)級功能，旨在確保系統(tǒng)中的所有組件在安全的溫度范圍內(nèi)運行，同時最大限度地降低功耗和噪音。傳統(tǒng)的熱管理解決方案通常使用多種設備，如 CPLD、混合信號 ASIC 或功能有限且靈活性不足的分立器件。而 PSoC 3 架構(gòu)則提供了一種靈活且獨特的熱管理方法，它將模擬傳感能力與數(shù)字資源池相結(jié)合，能夠支持各種類型的溫度傳感器和風扇控制。

1.2 套件特性

PSoC Thermal Management Expansion Board Kit（TME EBK）是 PSoC 開發(fā)套件生態(tài)系統(tǒng)的一部分，它與 CY8CKIT - 001 PSoC Development Kit（DVK）和 CY8CKIT - 030 PSoC 3 Development Kit（DVK）配合使用。該套件提供了一個演示和開發(fā)平臺，用于開發(fā)系統(tǒng)熱管理協(xié)處理器解決方案，具有以下特點：

• 溫度監(jiān)測：能夠?qū)崟r監(jiān)測系統(tǒng)的溫度。
• 開環(huán)和閉環(huán)風扇控制：支持不同的風扇控制模式，以滿足不同的應用需求。
• 熱區(qū)管理：明確溫度與冷卻功能之間的關(guān)系。
• 故障檢測算法：能夠檢測熱和冷卻故障或警告。

1.3 套件內(nèi)容

套件包含以下物品：

• Cypress TME EBK 開發(fā)板
• 快速入門指南
• 12V/2A 電源適配器
• 系統(tǒng) CD，其中包含用戶指南、PSoC Creator 及相關(guān)軟件、PSoC Programmer 及相關(guān)軟件、TME 示例固件、應用筆記和關(guān)鍵組件的數(shù)據(jù)手冊。

1.4 PSoC Creator 軟件

Cypress 的 PSoC Creator 軟件是一款先進且易于使用的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）。它基于經(jīng)典的原理圖輸入和革命性的嵌入式設計方法，提供了一個硬件和軟件設計環(huán)境。使用 PSoC Creator，你可以繪制硬件電路原理圖，自動進行組件布局和布線，集成狀態(tài)機和簡單的膠合邏輯，還能在硬件和軟件之間進行架構(gòu)決策，從而更快地將產(chǎn)品推向市場。

1.5 獲取幫助

作為 Cypress 授權(quán)設計合作伙伴，Terasic 提供快速開發(fā) PSoC 解決方案的設計專業(yè)知識，幫助你快速將產(chǎn)品投入生產(chǎn)并降低開發(fā)和 BOM 成本。你可以訪問 [www.cypress.com/go/CY8CKIT - 036](www.cypress.com/go/CY8CKIT - 036) 或 http://tme.terasic.com 獲取更多信息，如需支持，可通過 www.cypress.com/go/support 在線聯(lián)系或撥打 +1 - 800 - 541 - 4736 ext. 8（美國）或 +1 - 408 - 943 - 2600 ext. 8（國際）。

2. TME EBK 架構(gòu)

2.1 布局和組件

TME EBK 的布局和組件在相關(guān)圖片中清晰展示，它標明了電路板上的連接器和關(guān)鍵組件的位置，方便設計師進行硬件設計和調(diào)試。

2.2 熱管理解決方案

TME EBK 包含兩個 4 線、12V 無刷直流風扇，并提供額外的風扇接口，還安裝了 6 個溫度傳感器（4 種不同類型），包括 TMP175 I2C 數(shù)字溫度傳感器、2 個 TMP05 PWM 輸出數(shù)字溫度傳感器、DS18S20 “One Wire” 數(shù)字溫度傳感器和 2 個 MMBT3094 溫度二極管。這些硬件元素的組合使設計師能夠快速搭建各種配置的熱管理解決方案。

該套件還提供了一個 I2C/SMBus/PMBus 兼容的接口，以支持與主機控制器的通信。所有功能都在單個 PSoC 3 上實現(xiàn)，TME 將熱管理的所有輸入/輸出信號路由到安裝在開發(fā)套件平臺上的 PSoC 3。

3. TME EBK 硬件概述

3.1 2x20 引腳接口頭

40 引腳接口（2×20 引腳頭）用于將 TME EBK 連接到 Cypress 開發(fā)套件平臺。具體的引腳分配在表格中詳細列出，包括風扇的轉(zhuǎn)速信號、PWM 速度控制信號、溫度傳感器信號、電源和接地等。

3.2 TME EBK 頭和跳線

TME EBK 上提供了多個跳線，用于配置不同的功能。例如，J2 跳線用于選擇 PWM 溫度傳感器的單傳感器或雙傳感器（菊花鏈）連接模式；J3 跳線用于設置數(shù)字溫度傳感器的邏輯信號電平。

3.3 PWM 輸出數(shù)字溫度傳感器

TMP05 是一種單片溫度傳感器，它生成調(diào)制的串行數(shù)字輸出（PWM）信號，其占空比與環(huán)境溫度成正比。該傳感器支持菊花鏈模式，多個傳感器可以串聯(lián)連接。在 PSoC Creator 中，可以使用自定義組件來支持 TMP05 傳感器。

3.4 I2C 數(shù)字溫度傳感器

TME EBK 使用 TMP175 這種兩線 I2C 兼容的數(shù)字溫度傳感器來演示 I2C 溫度傳感能力。I2C 數(shù)字溫度傳感器在熱管理中非常常見，廣泛應用于各種通信、計算機、消費、環(huán)境、工業(yè)和儀器儀表應用中。

3.5 1 - Wire 數(shù)字溫度傳感器

TME EBK 安裝了 Maxim DS18S20 1 - Wire 高精度數(shù)字溫度傳感器，它提供 9 位分辨率的攝氏溫度測量，并具有報警功能。目前，PSoC Creator 中計劃開發(fā)一個 1 - Wire 協(xié)議接口組件，但在當前版本的 TME EBK 中尚未提供。

3.6 二極管模擬溫度傳感器

MMBT3904 是一種雙極結(jié)型晶體管（BJT），可用于溫度測量。通過 Cypress 應用筆記 AN60590 中描述的 delta Vbe 方法，可以實現(xiàn)溫度測量。由于該方法涉及復雜的源電流變化、ADC 測量濾波和模擬子系統(tǒng)校準，因此主要由固件驅(qū)動。

3.7 4 - 線風扇連接器

TME EBK 提供 8 個（4 對）行業(yè)標準的 4 - 線風扇接口連接器和兩個 AVC 12V 無刷直流風扇。風扇速度可通過 PWM 控制，最高可達 13,000 RPM，并通過轉(zhuǎn)速計輸出計算實際風扇速度。

3.8 開發(fā)套件兼容性

該套件僅包含擴展板，需要與 Cypress 開發(fā)套件平臺配合使用。它與 CY8CKIT - 001 PSoC DVK 和 CY8CKIT - 030 PSoC 3 DVK 兼容。需要注意的是，CY8CKIT - 001 PSoC 開發(fā)套件的早期版本可能與本套件附帶的示例項目不兼容，你可以在 www.cypress.com/go/psockitupgrade 上免費升級。

4. 示例項目

4.1 軟件安裝

將套件 CD 插入計算機的 CD 驅(qū)動器，CD 會自動運行并顯示套件菜單。如果自動運行未執(zhí)行，可以雙擊 CD 根目錄下的 AutoRun。安裝完成后，套件內(nèi)容將安裝在指定位置。安裝過程中，安裝程序會檢查系統(tǒng)是否安裝了所需的軟件，如 PSoC Creator、PSoC Programmer 等，如果未安裝，會提示你安裝。

4.2 硬件設置

對于 CY8CKIT - 001 PSoC DVK，需要使用跳線連接特定引腳，并設置電源跳線和 LCD 電源跳線。對于 CY8CKIT - 030 PSoC 3 DVK，雖然不需要跳線連接，但需要設置電源跳線和電位器電源跳線。在將 TME EBK 連接到 PSoC DVK 之前，必須先使用示例項目對 PSoC 進行編程，以避免硬件短路。

4.3 示例項目介紹

TME EBK 包含三個示例項目：

• 固件基于風扇控制：演示了 Fan Controller 組件在固件（CPU）控制模式下控制兩個風扇的功能。用戶可以通過按鍵調(diào)整風扇的期望速度，固件算法會根據(jù)期望速度調(diào)整風扇的占空比，直到實際風扇速度接近期望速度。
• 閉環(huán)硬件基于風扇控制：展示了 Fan Controller 組件在硬件（UDB）控制模式下控制風扇的能力。硬件控制算法會根據(jù)期望速度自動調(diào)整風扇的占空比，實現(xiàn)閉環(huán)控制。該示例還演示了風扇故障檢測和警報信號功能。
• 熱管理系統(tǒng)：結(jié)合溫度傳感器和風扇，創(chuàng)建了一個完整的熱管理系統(tǒng)。該示例使用“熱區(qū)”的概念，將多個溫度傳感器的讀數(shù)組合成復合溫度，并根據(jù)自定義的傳遞函數(shù)設置風扇速度。

5. TME 原理圖

文檔中還提供了 TME 的原理圖，包括電源供應、4 - 線風扇插座、I2C/SMBus/PMBus 端口、2x20 引腳 DVK 連接器和測試點、1 - Wire 溫度傳感器、溫度二極管、I2C 溫度傳感器、PWM 溫度傳感器等。此外，還給出了電路板的布局、頂層和底層視圖、頂層絲印以及物料清單。

6. 總結(jié)

PSoC Thermal Management Expansion Board Kit CY8CKIT - 036 為電子工程師提供了一個強大的熱管理開發(fā)平臺。它集成了多種溫度傳感器和風扇控制功能，結(jié)合 PSoC Creator 軟件，能夠幫助工程師快速開發(fā)出高效、靈活的熱管理解決方案。無論是初學者還是有經(jīng)驗的工程師，都可以通過該套件深入了解熱管理技術(shù)，并將其應用到實際項目中。你在使用這個套件的過程中遇到過哪些問題呢？歡迎在評論區(qū)分享你的經(jīng)驗和見解。