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

在电子设备的设计中，热管理是一个至关重要的环节。它不仅关系到设备的性能稳定性，还对功耗和噪音控制有着重要影响。今天，我们就来详细探讨一下 PSoC Thermal Management Expansion Board Kit CY8CKIT - 036，看看它是如何助力热管理设计的。

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1. 套件概述

1.1 热管理简介

热管理是温度传感、风扇控制以及将温度映射到风扇速度的算法或传递函数的组合。它是一个关键的系统级功能，旨在确保系统中的所有组件在安全的温度范围内运行，同时最大限度地降低功耗和噪音。传统的热管理解决方案通常使用多种设备，如 CPLD、混合信号 ASIC 或功能有限且灵活性不足的分立器件。而 PSoC 3 架构则提供了一种灵活且独特的热管理方法，它将模拟传感能力与数字资源池相结合，能够支持各种类型的温度传感器和风扇控制。

1.2 套件特性

PSoC Thermal Management Expansion Board Kit（TME EBK）是 PSoC 开发套件生态系统的一部分，它与 CY8CKIT - 001 PSoC Development Kit（DVK）和 CY8CKIT - 030 PSoC 3 Development Kit（DVK）配合使用。该套件提供了一个演示和开发平台，用于开发系统热管理协处理器解决方案，具有以下特点：

• 温度监测：能够实时监测系统的温度。
• 开环和闭环风扇控制：支持不同的风扇控制模式，以满足不同的应用需求。
• 热区管理：明确温度与冷却功能之间的关系。
• 故障检测算法：能够检测热和冷却故障或警告。

1.3 套件内容

套件包含以下物品：

• Cypress TME EBK 开发板
• 快速入门指南
• 12V/2A 电源适配器
• 系统 CD，其中包含用户指南、PSoC Creator 及相关软件、PSoC Programmer 及相关软件、TME 示例固件、应用笔记和关键组件的数据手册。

1.4 PSoC Creator 软件

Cypress 的 PSoC Creator 软件是一款先进且易于使用的集成开发环境（IDE）。它基于经典的原理图输入和革命性的嵌入式设计方法，提供了一个硬件和软件设计环境。使用 PSoC Creator，你可以绘制硬件电路原理图，自动进行组件布局和布线，集成状态机和简单的胶合逻辑，还能在硬件和软件之间进行架构决策，从而更快地将产品推向市场。

1.5 获取帮助

作为 Cypress 授权设计合作伙伴，Terasic 提供快速开发 PSoC 解决方案的设计专业知识，帮助你快速将产品投入生产并降低开发和 BOM 成本。你可以访问 [www.cypress.com/go/CY8CKIT - 036](www.cypress.com/go/CY8CKIT - 036) 或 http://tme.terasic.com 获取更多信息，如需支持，可通过 www.cypress.com/go/support 在线联系或拨打 +1 - 800 - 541 - 4736 ext. 8（美国）或 +1 - 408 - 943 - 2600 ext. 8（国际）。

2. TME EBK 架构

2.1 布局和组件

TME EBK 的布局和组件在相关图片中清晰展示，它标明了电路板上的连接器和关键组件的位置，方便设计师进行硬件设计和调试。

2.2 热管理解决方案

TME EBK 包含两个 4 线、12V 无刷直流风扇，并提供额外的风扇接口，还安装了 6 个温度传感器（4 种不同类型），包括 TMP175 I2C 数字温度传感器、2 个 TMP05 PWM 输出数字温度传感器、DS18S20 “One Wire” 数字温度传感器和 2 个 MMBT3094 温度二极管。这些硬件元素的组合使设计师能够快速搭建各种配置的热管理解决方案。

该套件还提供了一个 I2C/SMBus/PMBus 兼容的接口，以支持与主机控制器的通信。所有功能都在单个 PSoC 3 上实现，TME 将热管理的所有输入/输出信号路由到安装在开发套件平台上的 PSoC 3。

3. TME EBK 硬件概述

3.1 2x20 引脚接口头

40 引脚接口（2×20 引脚头）用于将 TME EBK 连接到 Cypress 开发套件平台。具体的引脚分配在表格中详细列出，包括风扇的转速信号、PWM 速度控制信号、温度传感器信号、电源和接地等。

3.2 TME EBK 头和跳线

TME EBK 上提供了多个跳线，用于配置不同的功能。例如，J2 跳线用于选择 PWM 温度传感器的单传感器或双传感器（菊花链）连接模式；J3 跳线用于设置数字温度传感器的逻辑信号电平。

3.3 PWM 输出数字温度传感器

TMP05 是一种单片温度传感器，它生成调制的串行数字输出（PWM）信号，其占空比与环境温度成正比。该传感器支持菊花链模式，多个传感器可以串联连接。在 PSoC Creator 中，可以使用自定义组件来支持 TMP05 传感器。

3.4 I2C 数字温度传感器

TME EBK 使用 TMP175 这种两线 I2C 兼容的数字温度传感器来演示 I2C 温度传感能力。I2C 数字温度传感器在热管理中非常常见，广泛应用于各种通信、计算机、消费、环境、工业和仪器仪表应用中。

3.5 1 - Wire 数字温度传感器

TME EBK 安装了 Maxim DS18S20 1 - Wire 高精度数字温度传感器，它提供 9 位分辨率的摄氏温度测量，并具有报警功能。目前，PSoC Creator 中计划开发一个 1 - Wire 协议接口组件，但在当前版本的 TME EBK 中尚未提供。

3.6 二极管模拟温度传感器

MMBT3904 是一种双极结型晶体管（BJT），可用于温度测量。通过 Cypress 应用笔记 AN60590 中描述的 delta Vbe 方法，可以实现温度测量。由于该方法涉及复杂的源电流变化、ADC 测量滤波和模拟子系统校准，因此主要由固件驱动。

3.7 4 - 线风扇连接器

TME EBK 提供 8 个（4 对）行业标准的 4 - 线风扇接口连接器和两个 AVC 12V 无刷直流风扇。风扇速度可通过 PWM 控制，最高可达 13,000 RPM，并通过转速计输出计算实际风扇速度。

3.8 开发套件兼容性

该套件仅包含扩展板，需要与 Cypress 开发套件平台配合使用。它与 CY8CKIT - 001 PSoC DVK 和 CY8CKIT - 030 PSoC 3 DVK 兼容。需要注意的是，CY8CKIT - 001 PSoC 开发套件的早期版本可能与本套件附带的示例项目不兼容，你可以在 www.cypress.com/go/psockitupgrade 上免费升级。

4. 示例项目

4.1 软件安装

将套件 CD 插入计算机的 CD 驱动器，CD 会自动运行并显示套件菜单。如果自动运行未执行，可以双击 CD 根目录下的 AutoRun。安装完成后，套件内容将安装在指定位置。安装过程中，安装程序会检查系统是否安装了所需的软件，如 PSoC Creator、PSoC Programmer 等，如果未安装，会提示你安装。

4.2 硬件设置

对于 CY8CKIT - 001 PSoC DVK，需要使用跳线连接特定引脚，并设置电源跳线和 LCD 电源跳线。对于 CY8CKIT - 030 PSoC 3 DVK，虽然不需要跳线连接，但需要设置电源跳线和电位器电源跳线。在将 TME EBK 连接到 PSoC DVK 之前，必须先使用示例项目对 PSoC 进行编程，以避免硬件短路。

4.3 示例项目介绍

TME EBK 包含三个示例项目：

• 固件基于风扇控制：演示了 Fan Controller 组件在固件（CPU）控制模式下控制两个风扇的功能。用户可以通过按键调整风扇的期望速度，固件算法会根据期望速度调整风扇的占空比，直到实际风扇速度接近期望速度。
• 闭环硬件基于风扇控制：展示了 Fan Controller 组件在硬件（UDB）控制模式下控制风扇的能力。硬件控制算法会根据期望速度自动调整风扇的占空比，实现闭环控制。该示例还演示了风扇故障检测和警报信号功能。
• 热管理系统：结合温度传感器和风扇，创建了一个完整的热管理系统。该示例使用“热区”的概念，将多个温度传感器的读数组合成复合温度，并根据自定义的传递函数设置风扇速度。

5. TME 原理图

文档中还提供了 TME 的原理图，包括电源供应、4 - 线风扇插座、I2C/SMBus/PMBus 端口、2x20 引脚 DVK 连接器和测试点、1 - Wire 温度传感器、温度二极管、I2C 温度传感器、PWM 温度传感器等。此外，还给出了电路板的布局、顶层和底层视图、顶层丝印以及物料清单。

6. 总结

PSoC Thermal Management Expansion Board Kit CY8CKIT - 036 为电子工程师提供了一个强大的热管理开发平台。它集成了多种温度传感器和风扇控制功能，结合 PSoC Creator 软件，能够帮助工程师快速开发出高效、灵活的热管理解决方案。无论是初学者还是有经验的工程师，都可以通过该套件深入了解热管理技术，并将其应用到实际项目中。你在使用这个套件的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。