FR2972542A1 - Electronic circuit for use in electronic unit in engine compartment of car, has sensor detecting heating on circuit boards due to malfunction of one of electrical components, and transmitting information to CPU for triggering safety process - Google Patents
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Abstract
Description
DP-319416 DP-319416
Circuit électronique comportant un capteur de rayonnement thermique DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un circuit électronique notamment prévu pour équiper un véhicule automobile. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to an electronic circuit, in particular designed to equip a motor vehicle.
ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION La présente invention concerne plus particulièrement un circuit électronique de commande (Electronic Control Unit ou Engine Control Unit) comportant une unité centrale et au moins une première plaque à circuit imprimé dite carte mère, une première face de la carte mère étant munie d'au moins une première série de composants électroniques qui sont reliés par des pistes conductrices électriques à l'unité centrale. Un tel circuit électronique, ou calculateur, est généralement agencé dans un boîtier en matière plastique et monté dans le véhicule, par exemple dans le compartiment moteur. En cas de dysfonctionnement dans le circuit électronique tel qu'un court-circuit dans un composant électronique, il existe un risque élevé d'incendie. En effet, un court-circuit provoque un échauffement localisé qui peut conduire, de par la présence d'oxygène et de matériau inflammable comme la matière plastique constituant la carte mère et le boîtier, à l'apparition de flammes susceptibles de se propager rapidement. Pour résoudre ce problème, il est connu d'équiper le circuit électronique avec des thermistances. Ce type de composant permet de détecter un échauffement localisé grâce à une variation de la valeur de résistance qui est fonction de la température du composant. Une thermistance est généralement placée entre l'électronique de puissance et l'électronique de commande comprenant l'unité centrale, les courts- circuits à l'origine des incendies étant localisés dans les composants de l'électronique de puissance. Le rôle de la thermistance est d'informer l'unité centrale d'une augmentation anormale de la température à l'emplacement de la thermistance, qui pourrait être dû à un court-circuit dans le circuit électronique. A partir de l'information transmise par la thermistance, l'unité centrale peut déclencher un processus de mise en sécurité du circuit électronique, par exemple en coupant l'alimentation électrique de la portion du circuit associée à ladite thermistance. Cette solution n'est pas complètement satisfaisante. En effet, la propagation de l'échauffement jusqu'à la thermistance peut prendre plusieurs secondes, ce qui retarde le moment où l'unité centrale est informée du dysfonctionnement. Pendant le lapse de temps nécessaire à l'unité centrale pour obtenir l'information, le feu peut se propager en causant des dommages irrémédiables, même en coupant l'alimentation électrique. En général, les systèmes de protection thermique connus permettant un taux de couverture à 100% du circuit électronique ne se prêtent pas à des configurations de montage et d'architecture de circuit électronique pour véhicule différents. De plus, ils présentent généralement des coûts élevés qui sont dus aux technologies utilisées : thermographie infra rouge, maillage par des filaments en platine, maillage par des thermocouples qui demandent des structures de traitement et d'amplification de signal difficiles à mettre en oeuvre. Les systèmes de protection thermique connus ne permettent pas un diagnostic détaillé et complet de la localisation des défauts électriques dans le circuit électronique. Généralement, les solutions de détection thermique connues tendent à superviser les composants de type semi-conducteur contre un sur-échauffement anormal mais elles n'offrent pas de protection contre un départ de feu. Dans certains cas, la défaillance d'un composant électronique peut entraîner une élévation de température supérieure aux marges de conception du produit ce qui peut déclencher un départ de feu. Les techniques classiques qui sont utilisées pour résoudre le problème de 25 propagation des feux sont généralement la réduction du volume d'oxygène ou l'utilisation de matériaux intumescents. Une bonne dissipation thermique est une solution efficace pour l'extinction rapide du feu, mais sa mise en oeuvre nécessite l'utilisation d'un dissipateur thermique capable d'extraire l'énergie nécessaire pour le maintient de 30 la flamme ce qui n'est pas satisfaisant. La réduction d'oxygène à l'intérieur d'un calculateur suppose dans la plupart des cas le remplacement de l'air par un matériau qui adhère à tous les composants électroniques et qui résiste aux conditions de fonctionnement thermochimiques du système sans augmenter son poids. D'autre part, la réduction de l'oxygène est limitée au niveau du calculateur de la carte électronique et elle ne peut pas s'étendre à l'ensemble des composants électroniques du véhicule. L'utilisation de matériaux intumescent « retardateurs de feu » par l'adjonction d'additifs minéraux du type AL(OH)3 est intéressante pour favoriser l'extinction du feu, mais son effet est limité dans le temps. Il est donc nécessaire de couper la source d'énergie avant de perdre le pouvoir dissipateur de l'additif minéral « retardateur de feu ». Les systèmes de détection électroniques nécessitent des températures de 10 fonctionnement très basses par rapport à la température de feu à cause de la limite de fonctionnement des composants électroniques. BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention more particularly relates to an electronic control circuit (Electronic Control Unit or Engine Control Unit) comprising a central unit and at least a first printed circuit board called motherboard, a first face of the motherboard being provided with at least a first series of electronic components which are connected by electrical conductive tracks to the central unit. Such an electronic circuit, or computer, is generally arranged in a plastic housing and mounted in the vehicle, for example in the engine compartment. In the event of a malfunction in the electronic circuit such as a short circuit in an electronic component, there is a high risk of fire. Indeed, a short circuit causes a localized heating which can lead, by the presence of oxygen and flammable material such as the plastic constituting the motherboard and the housing, to the appearance of flames likely to spread quickly. To solve this problem, it is known to equip the electronic circuit with thermistors. This type of component makes it possible to detect localized heating by varying the resistance value which is a function of the temperature of the component. A thermistor is generally placed between the power electronics and the control electronics including the central unit, the short circuits at the origin of the fires being located in the components of the power electronics. The role of the thermistor is to inform the CPU of an abnormal increase in temperature at the location of the thermistor, which could be due to a short circuit in the electronic circuit. From the information transmitted by the thermistor, the central unit can trigger a process for securing the electronic circuit, for example by cutting off the power supply of the portion of the circuit associated with said thermistor. This solution is not completely satisfactory. Indeed, the propagation of the heating up to the thermistor can take several seconds, which delays the moment when the central unit is informed of the malfunction. During the lapse of time needed for the CPU to get the information, the fire can spread causing irreparable damage, even by cutting off the power supply. In general, known thermal protection systems that allow a 100% coverage rate of the electronic circuit do not lend themselves to different mounting and circuit architecture configurations for different vehicles. In addition, they generally have high costs that are due to the technologies used: infrared thermography, mesh with platinum filaments, meshing by thermocouples that require processing structures and signal amplification difficult to implement. The known thermal protection systems do not allow a detailed and complete diagnosis of the location of electrical faults in the electronic circuit. Generally, known thermal sensing solutions tend to supervise semiconductor-type components against abnormal overheating but they do not provide protection against a start of fire. In some cases, the failure of an electronic component may result in a higher temperature rise than the product design margins which may trigger a fire. Conventional techniques that are used to solve the problem of fire spread are usually the reduction of oxygen volume or the use of intumescent materials. Good heat dissipation is an effective solution for rapid fire extinguishing, but its implementation requires the use of a heat sink capable of extracting the energy required to maintain the flame which is not necessary. not satisfying. The reduction of oxygen inside a computer presupposes in most cases the replacement of air by a material which adheres to all the electronic components and which is resistant to the thermochemical operating conditions of the system without increasing its weight. On the other hand, the reduction of oxygen is limited at the computer computer and it can not extend to all the electronic components of the vehicle. The use of intumescent materials "fire retardants" by the addition of mineral additives type AL (OH) 3 is interesting to promote the extinction of fire, but its effect is limited in time. It is therefore necessary to cut the energy source before losing the dissipating power of the mineral additive "fire retardant". Electronic detection systems require very low operating temperatures with respect to the fire temperature because of the operating limit of the electronic components.
RESUME DE L'INVENTION La présente invention vise à proposer une solution aux problèmes 15 mentionnés précédemment en détectant l'échauffement localisé plus tôt, de manière que l'unité centrale puisse intervenir avant le départ du feu. En particulier l'invention vise à permettre une grande rapidité de détection et une haute sensibilité de détection sans pour autant provoquer de fausses alertes. A cet effet, l'invention propose un circuit électronique, notamment prévu 20 pour équiper un véhicule automobile, comportant une unité centrale et au moins une plaque à circuit imprimé dite carte mère, une première face de la carte mère étant munie de composants électroniques qui sont reliés par des pistes conductrices électriques à l'unité centrale, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins un capteur de rayonnement thermique dont le champ de détection 25 est orienté globalement suivant une direction de détection parallèle au plan de la carte mère de manière que le capteur de rayonnement thermique puisse détecter un échauffement localisé sur la carte mère dû au dysfonctionnement d'au moins un des composants électroniques et puisse transmettre l'information à l'unité centrale en vue de déclencher un processus de mise en sécurité du circuit 30 électronique. Cet agencement offre une solution simple et économique au problème mentionné précédemment, notamment en utilisant un capteur de rayonnement thermique du type monté en surface sur une plaque à circuit imprimé, dont l'angle d'ouverture pour la détection, déterminant le champ de détection, est d'environ 35 degrés. L'agencement selon l'invention permet d'obtenir facilement une couverture complète de chaque carte mère, quel que soit le mode de fonctionnement du circuit électronique. Le faible encombrement du système de détection selon l'invention et le fait qu'il puisse être intégré dans n'importe quel circuit électronique automobile le rend générique et adaptable dans toutes les configurations rencontrées. L'agencement selon l'invention permet d'exploiter au maximum le champ de détection du capteur de rayonnement thermique puisqu'il peut être agencé dans le même plan que les composants électroniques et leurs zones de raccordement électrique à la carte mère. Selon d'autres caractéristiques de l'invention : - le capteur de rayonnement thermique est monté sur la face principale 15 d'une plaque à circuit imprimé auxiliaire dite carte fille qui est sensiblement orthogonale à la carte mère ; - une première série de composants électroniques est montée sur la première face de la carte mère par une technique de montage en surface, et le capteur de rayonnement thermique est agencé au moins partiellement du côté de la 20 première face de manière que son champ de détection couvre la surface de montage de la première série de composants électroniques ; - une seconde série de composants électroniques est montée sur la première face de la carte mère au moyen de pattes qui sont insérées dans des trous traversants de la carte mère et qui sont soudées sur la seconde face de la carte 25 mère, et le capteur de rayonnement thermique est agencé au moins partiellement du côté de la seconde face de manière que son champ de détection couvre les soudures des composants électroniques ; - le circuit électronique comporte une carte mère principale et une carte mère secondaire qui sont superposées, une première série de composants 30 électroniques étant montée sur la première face de la carte mère principale, en vis-à-vis de la carte mère secondaire, par une technique de montage en surface, une seconde série de composants électroniques étant montée sur la première face de la carte mère secondaire au moyen de pattes qui sont insérées dans des trous traversants de la carte mère secondaire et qui sont soudées sur la seconde face de la carte mère secondaire, et le capteur de rayonnement thermique est agencé entre la carte mère principale et la carte mère secondaire de manière que son champ de détection couvre à la fois la surface de montage de la première série de composants électroniques et les soudures des composants électroniques de la seconde série ; - le capteur de rayonnement thermique s'étend de part et d'autre du plan de la carte mère de manière qu'il puisse détecter un échauffement du côté de la première face et du côté de la seconde face de la carte mère ; - au moins un collecteur thermique est monté sur la carte mère et comporte une portion collectrice agencée contre la carte mère et une portion de diffusion agencée en vis-à-vis du capteur de rayonnement thermique de manière à faciliter la détection d'un échauffement localisé sur la carte mère par le capteur de rayonnement thermique ; - le collecteur thermique comprend une plaque en matériau conducteur thermique, par exemple en alliage d'aluminium, qui comporte une première portion sensiblement parallèle à la carte mère formant la portion collectrice et une seconde portion sensiblement orthogonale à la carte mère formant la portion de diffusion ; - le collecteur thermique comprend une couche intermédiaire en matériau conducteur thermique qui est interposée entre la carte mère et la portion collectrice ; - la carte fille comporte plusieurs capteurs de rayonnement thermique ; - les capteurs de rayonnement thermique sont globalement alignés sur la face principale de la carte fille, suivant une direction parallèle au plan de la carte mère, de manière que leurs champs de détection se superposent pour couvrir une zone de détection étendue sur la carte mère, ladite zone de détection étendue étant plus grande que la zone de détection définie par un seul capteur de rayonnement thermique ; - le capteur de rayonnement thermique est une thermopile sensible au rayonnement infrarouge se propageant avec des longueurs d'ondes comprise entre 4µm et 141um lui permettant de mesurer les températures entre -70°C et 400°C. - un capteur complémentaire est prévu pour détecter des flammes. Sa sensibilité pour les longueurs d'ondes comprises entre 0.41um et 2µm lui permet de mesurer des températures entre 800°C et 3000°C BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une vue en perspective éclatée qui représente schématiquement un boîtier électronique muni d'un circuit électronique réalisé conformément aux enseignements de l'invention selon un premier mode de réalisation ; - la figure 2 est une vue de dessus qui représente une carte mère du circuit électronique de la figure 1 équipé d'un capteur de rayonnement thermique ; - la figure 3 est une vue en coupe axiale partielle qui représente le circuit électronique de la figure 1 et qui montre l'agencement du capteur de rayonnement thermique ; - la figure 4 est une vue de côté qui représente schématiquement un circuit électronique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention équipé d'un collecteur thermique ; - la figure 5 est une vue de dessous qui représente schématiquement un circuit électronique selon un troisième mode de réalisation de l'invention équipé de plusieurs capteurs de rayonnement thermique associés à plusieurs collecteurs thermiques. SUMMARY OF THE INVENTION The present invention aims at providing a solution to the aforementioned problems by detecting localized heating earlier, so that the central unit can intervene before the fire starts. In particular the invention aims to allow a high speed of detection and high detection sensitivity without causing false alarms. To this end, the invention proposes an electronic circuit, in particular provided for equipping a motor vehicle, comprising a central unit and at least one printed circuit board called motherboard, a first face of the motherboard being provided with electronic components which are connected by electrical conductor tracks to the central unit, characterized in that it further comprises at least one thermal radiation sensor whose detection field 25 is oriented generally in a direction of detection parallel to the plane of the motherboard so that the thermal radiation sensor can detect a localized heating on the motherboard due to the malfunction of at least one of the electronic components and can transmit the information to the central unit in order to trigger a process of setting security of the electronic circuit. This arrangement offers a simple and economical solution to the problem mentioned above, in particular by using a surface-mounted type of thermal radiation sensor on a printed circuit board, whose opening angle for the detection, determining the detection field, is about 35 degrees. The arrangement according to the invention makes it easy to obtain complete coverage of each motherboard, whatever the mode of operation of the electronic circuit. The small size of the detection system according to the invention and the fact that it can be integrated into any automotive electronic circuit makes it generic and adaptable in all configurations encountered. The arrangement according to the invention makes it possible to exploit as much as possible the detection field of the thermal radiation sensor since it can be arranged in the same plane as the electronic components and their areas of electrical connection to the motherboard. According to other characteristics of the invention: the thermal radiation sensor is mounted on the main face of an auxiliary printed circuit board known as a daughter card which is substantially orthogonal to the motherboard; a first series of electronic components is mounted on the first face of the motherboard by a surface mounting technique, and the thermal radiation sensor is arranged at least partially on the side of the first face so that its detection field covers the mounting surface of the first set of electronic components; a second series of electronic components is mounted on the first face of the motherboard by means of tabs which are inserted into through holes of the motherboard and which are soldered to the second face of the motherboard, and the sensor of thermal radiation is arranged at least partially on the side of the second face so that its detection field covers the welds of the electronic components; the electronic circuit comprises a main motherboard and a secondary motherboard which are superimposed, a first series of electronic components being mounted on the first face of the main motherboard, opposite the secondary motherboard, by a surface mounting technique, a second series of electronic components being mounted on the first side of the secondary motherboard by means of tabs which are inserted into through holes of the secondary motherboard and which are soldered to the second face of the motherboard; secondary motherboard, and the thermal radiation sensor is arranged between the main motherboard and the secondary motherboard so that its detection field covers both the mounting surface of the first series of electronic components and the welds of the electronic components the second series; the thermal radiation sensor extends on either side of the plane of the motherboard so that it can detect a heating on the side of the first face and the side of the second face of the motherboard; at least one heat sink is mounted on the motherboard and comprises a collecting portion arranged against the motherboard and a diffusion portion arranged opposite the heat radiation sensor so as to facilitate the detection of localized heating. on the motherboard by the thermal radiation sensor; the thermal collector comprises a plate of heat-conducting material, for example of aluminum alloy, which comprises a first portion substantially parallel to the mother-board forming the collecting portion and a second portion substantially orthogonal to the mother-board forming the diffusion portion ; - The thermal collector comprises an intermediate layer of thermal conductive material which is interposed between the motherboard and the collector portion; the daughter card comprises several heat radiation sensors; the thermal radiation sensors are generally aligned on the main face of the daughter card, in a direction parallel to the plane of the motherboard, so that their detection fields are superimposed to cover an extended detection zone on the motherboard, said extended detection zone being larger than the detection zone defined by a single heat radiation sensor; - The thermal radiation sensor is a thermopile sensitive to infrared radiation propagating with wavelengths between 4 .mu.m and 141um allowing it to measure temperatures between -70 ° C and 400 ° C. an additional sensor is provided for detecting flames. Its sensitivity for wavelengths between 0.41um and 2μm allows it to measure temperatures between 800 ° C and 3000 ° C. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other features, objects and advantages of the invention will become apparent on reading the detailed description which follows, and with reference to the accompanying drawings, given by way of non-limiting example and in which: - Figure 1 is an exploded perspective view which shows schematically an electronic box provided with an electronic circuit made according to teachings of the invention according to a first embodiment; FIG. 2 is a view from above showing a motherboard of the electronic circuit of FIG. 1 equipped with a thermal radiation sensor; FIG. 3 is a view in partial axial section which represents the electronic circuit of FIG. 1 and which shows the arrangement of the thermal radiation sensor; FIG. 4 is a side view which diagrammatically represents an electronic circuit according to a second embodiment of the invention equipped with a thermal collector; FIG. 5 is a bottom view which diagrammatically represents an electronic circuit according to a third embodiment of the invention equipped with several heat radiation sensors associated with several thermal collectors.
DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES Dans la suite de la description, des éléments identiques ou similaires seront désignés par les mêmes références. On utilisera, à titre non limitatif, des orientations verticale, longitudinale, transversale selon le repère V, L, T représenté sur les figures. DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In the remainder of the description, identical or similar elements will be designated by the same references. It will be used, without limitation, vertical, longitudinal, transverse orientations according to the reference V, L, T shown in the figures.
Sur les figures 1 à 3, on a représenté un circuit électronique 10 conforme aux enseignements de l'invention réalisé selon un premier mode de réalisation. Il est prévu pour être monté dans un véhicule automobile, par exemple dans le compartiment moteur du véhicule, afin de constituer un circuit électronique de commande apte à commander des équipements du véhicule. Le circuit électronique 10 est ici agencé dans un boîtier 12 fermé par un couvercle 14. Selon le mode de réalisation représenté, il comporte une plaque à circuit imprimé principale dite carte mère principale 16 et une plaque à circuit imprimé secondaire dite carte mère secondaire 18 qui sont superposées dans le boîtier 12 et qui s'étendent chacune globalement dans un plan transversal longitudinal. Selon le mode de réalisation représenté, la carte mère principale 16 est ici pourvue, sur sa face supérieure 30, d'une première série de composants électroniques de surface 32, c'est-à-dire de composants qui sont prévus pour être montés sur la carte mère principale 16 par une technologie de montage en surface dite SMT (Surface Mounting Technology). A cet effet, les composants électroniques de surface 32 comportent des pattes transversales de montage 34 qui viennent en appui contre la face supérieure 30 de la carte mère principale 16. In Figures 1 to 3, there is shown an electronic circuit 10 according to the teachings of the invention made according to a first embodiment. It is intended to be mounted in a motor vehicle, for example in the engine compartment of the vehicle, to form an electronic control circuit capable of controlling the vehicle equipment. The electronic circuit 10 is here arranged in a housing 12 closed by a cover 14. According to the embodiment shown, it comprises a main printed circuit board called main motherboard 16 and a secondary printed circuit board called secondary motherboard 18 which are superimposed in the housing 12 and which each extend generally in a longitudinal transverse plane. According to the embodiment shown, the main motherboard 16 is here provided, on its upper face 30, with a first series of surface electronic components 32, that is to say components which are intended to be mounted on the main motherboard 16 by surface mount technology Surface Mount Technology (SMT). For this purpose, the electronic surface components 32 comprise transverse mounting tabs 34 which bear against the upper face 30 of the main motherboard 16.
La carte mère secondaire 18, qui s'étend ici au-dessus de la carte mère principale 16, est pourvue, sur sa face supérieure 20, d'une série de composants électroniques traversants 22, c'est-à-dire comportant des pattes verticales de montage 24 qui s'étendent à travers des trous 26 aménagés dans la carte mère secondaire 18 en débordant sous la face inférieure 28, comme représenté schématiquement sur la figure 3. Ces composants électroniques traversants 22 sont constitués par exemple de connecteurs, de résistances électriques, de commutateurs... Bien entendu, les cartes mères 16, 18 sont pourvues sur au moins une face de pistes conductrices 36 qui permettent de relier les différents composants électroniques 22, 32 à au moins une unité centrale 38 telle qu'un microprocesseur agencé ici sur la face supérieure 30 de la carte mère principale 16. Un connecteur intermédiaire 37 est agencé ici entre les cartes mères 16, 18 pour les raccorder électriquement. On notera que la carte mère principale 16 peut être équipée de composants électroniques traversants et la carte mère secondaire 18 peut être équipée de composants électroniques de surface. Conformément aux enseignements de l'invention, le circuit électronique 10 comporte une plaque à circuit imprimé auxiliaire dite carte fille 40 munie d'un capteur de rayonnement thermique 42 sur sa face principale 44. Avantageusement, le capteur de rayonnement thermique 42 est une thermopile, dédiée aux applications automobile, qui est sensible au rayonnement infrarouge et qui produit une tension proportionnelle à un gradient de température. The secondary motherboard 18, which extends here above the main motherboard 16, is provided on its upper face 20 with a series of through-going electronic components 22, that is to say with tabs vertical mounting 24 which extend through holes 26 arranged in the secondary motherboard 18 overflowing under the lower face 28, as shown schematically in Figure 3. These through electronic components 22 consist for example of connectors, resistors Of course, the mother boards 16, 18 are provided on at least one face of conductive tracks 36 which make it possible to connect the various electronic components 22, 32 to at least one central unit 38 such as a microprocessor. here arranged on the upper face 30 of the main motherboard 16. An intermediate connector 37 is arranged here between the motherboards 16, 18 to connect them electrically. Note that the main motherboard 16 may be equipped with electronic components through and the secondary motherboard 18 may be equipped with electronic surface components. According to the teachings of the invention, the electronic circuit 10 comprises an auxiliary printed circuit board called daughter card 40 provided with a thermal radiation sensor 42 on its main face 44. Advantageously, the thermal radiation sensor 42 is a thermopile, dedicated to automotive applications, which is sensitive to infrared radiation and produces a voltage proportional to a temperature gradient.
Le capteur de rayonnement thermique 42 intègre un dispositif de traitement du signal et produit un signal en Modulation de Largeur d'Impulsion (Pulse Width Modulation) ou selon le protocole de communication SMBus. La bande spectrale du capteur de rayonnement thermique 42 est de préférence comprise entre 4µm et 141um et il est prévu pour détecter des élévations de température dans la bande 0- 400 degrés Celsius. Le flux lumineux reçu par le capteur de rayonnement thermique 42 est d'autant plus important que la température en surface du composant subissant un échauffement est élevée. Le flux infrarouge reçu par le capteur de rayonnement thermique 42 permet ainsi de mesurer la température moyenne en surface du composant couvert par le cône de détection. Le principe de fonctionnement de la détection d'un point chaud localisé est basé sur le rayonnement thermique. Le capteur de rayonnement thermique 42 est orienté de manière optimale pour capter le maximum du rayonnement thermique émis par les composants à surveiller tout en assurant un taux de couverture du circuit électronique maximal. The thermal radiation sensor 42 integrates a signal processing device and produces a signal in Pulse Width Modulation (Pulse Width Modulation) or according to the SMBus communication protocol. The spectral band of the thermal radiation sensor 42 is preferably between 4 μm and 141 μm and is designed to detect temperature rises in the 0-400 degree Celsius band. The luminous flux received by the thermal radiation sensor 42 is all the more important that the surface temperature of the component undergoing heating is high. The infrared flux received by the thermal radiation sensor 42 thus makes it possible to measure the average temperature at the surface of the component covered by the detection cone. The operating principle of detection of a localized hot spot is based on thermal radiation. The thermal radiation sensor 42 is optimally oriented to capture the maximum thermal radiation emitted by the components to be monitored while ensuring a coverage rate of the maximum electronic circuit.
La carte fille 40 est montée ici sur la carte mère principale 16, entre les deux cartes mères 16, 18, de manière qu'elle s'étende globalement dans un plan orthogonal aux cartes mères 16, 18, c'est-à-dire ici un plan vertical transversal. De préférence, la carte fille 40 est agencée le long d'un bord transversal de la carte mère principale 16, de sorte que sa face principale 44 soit orientée vers les composants électroniques de surface 32 et que son champ de détection CD puisse couvrir les composants électroniques de surface 32 et leur raccordement à la carte mère principale 16 dont il faut surveiller l'échauffement. La carte fille 40 comporte un dispositif de raccordement électrique 46 à l'une des cartes mères 16, 18, par exemple une nappe de connexion ou un connecteur. La carte fille 40 peut comporter des composants électroniques additionnels 47 qui contribuent à faire fonctionner le capteur de rayonnement thermique 42. Selon le premier mode de réalisation représenté, le capteur de rayonnement thermique 42 est constitué par un composant électronique qui est monté sur la face principale 44 de la carte fille 40. Il possède un champ de détection CD globalement en forme de cône dont l'angle d'ouverture al est sensiblement de 35 degrés. Le champ de détection CD est orienté suivant une direction principale de détection Xl longitudinale, correspondant à l'axe du cône, qui est globalement perpendiculaire à la carte fille 40 et parallèle au plan de la carte mère principale 16. On note que le choix d'un capteur de rayonnement thermique 42 possédant un cône de détection à angle aigu, ici ouvert à 35 degrés, permet d'obtenir une meilleure sensibilité du capteur par rapport à un capteur qui aurait un angle d'ouverture obtus. Avantageusement, la carte fille 40 s'étend dans un logement 48 adapté, par exemple dans une fente transversale de la carte mère principale 16. La carte fille 40 est fixée à l'une des cartes mères 16, 18 ou au boîtier 12 par des moyens appropriés, par exemple par emboîtement ou par soudage. The daughter card 40 is mounted here on the main motherboard 16, between the two motherboards 16, 18, so that it extends generally in a plane orthogonal to the motherboards 16, 18, that is to say here a transverse vertical plane. Preferably, the daughter board 40 is arranged along a transverse edge of the main motherboard 16, so that its main face 44 is oriented towards the surface electronic components 32 and that its detection field CD can cover the components surface electronics 32 and their connection to the main motherboard 16 which must be monitored for warming up. The daughter card 40 comprises an electrical connection device 46 to one of the motherboards 16, 18, for example a connection sheet or a connector. The daughter card 40 may comprise additional electronic components 47 which contribute to operate the thermal radiation sensor 42. According to the first embodiment shown, the heat radiation sensor 42 is constituted by an electronic component which is mounted on the main face. 44 of the daughter card 40. It has a generally cone-shaped detection field CD whose opening angle a1 is substantially 35 degrees. The detection field CD is oriented along a longitudinal direction of detection Xl, corresponding to the axis of the cone, which is generally perpendicular to the daughter card 40 and parallel to the plane of the main motherboard 16. It is noted that the choice of a thermal radiation sensor 42 having an acute angle detection cone, here open at 35 degrees, makes it possible to obtain a better sensitivity of the sensor with respect to a sensor which would have an obtuse opening angle. Advantageously, the daughter card 40 extends in a housing 48 adapted, for example in a transverse slot of the main motherboard 16. The daughter card 40 is attached to one of the motherboards 16, 18 or the housing 12 by suitable means, for example by interlocking or welding.
Le capteur de rayonnement thermique 42 s'étend ici de part et d'autre de la carte mère principale 16, une petite portion du capteur de rayonnement thermique 42 s'étendant sous la carte mère principale 16, de manière que la direction principale de détection Xl s'étende juste au-dessus de la face supérieure 30 de la carte mère principale 16, globalement dans le même plan transversal que les composants électroniques de surface 32. Ceci permet d'exploiter au maximum l'angle d'ouverture al du capteur de rayonnement thermique 42 en couvrant une surface maximale sur la carte mère principale 16. Cela permet aussi de détecter un échauffement localisé sur la face inférieure de la carte mère principale 16. Le capteur de rayonnement thermique 42 permet ici de détecter un échauffement localisé sur la face supérieure 30 de la carte mère principale 16, au niveau d'un composant électronique de surface 32 ou de son raccordement au circuit électronique 10, et un échauffement localisé sur la face inférieure 28 de la carte mère secondaire 18, au niveau des plots de raccordement des composants électroniques traversants 22, c'est-à-dire au niveau des soudures des pattes de ces composants électroniques traversants 22. Ainsi, en cas de court-circuit dans un composant électronique 22, 32, ou au niveau du raccordement d'un composant électronique 22, 32 avec la carte mère 16, 18 correspondante, provoquant un échauffement localisé, le capteur de rayonnement thermique 42 détecte ledit échauffement localisé et transmet l'information à l'unité centrale 38 pour qu'elle puisse prendre des mesures en déclenchant un processus de mise en sécurité du circuit électronique 10. La mise en sécurité peut consister en la coupure de l'alimentation électrique du composant 22, 32 ou du groupe de composants 22, 32 sur lequel un échauffement a été détecté et en l'émission d'un message d'alerte vers l'utilisateur du circuit électronique 10. Avantageusement, la détection de l'échauffement localisé implique la mise en oeuvre d'une stratégie de détection par l'unité centrale 38. Cette stratégie de détection permet de détecter un premier gradient de température correspondant à la détection d'un risque potentiel de défaillance du circuit électronique 10 et un second gradient de température correspondant à la détection d'un risque élevé de départ de feu. Dans le cas de la détection du premier gradient de température, l'unité centrale 38 déclenche un signal d'avertissement informant l'utilisateur du circuit électronique 10 de ce risque de défaillance. Dans le cas de la détection du second gradient de température, l'unité centrale 38 déclenche une mise en sécurité du circuit électronique 10 qui peut conduire à une coupure de l'alimentation électrique. L'avantage du capteur de rayonnement thermique 42 selon l'invention est qu'il permet de détecter un échauffement localisé à sa source, avant que l'échauffement ne se soit transmis à des éléments périphériques et qu'il ait pu produire des dégâts irrémédiables dans le circuit électronique 10. Il présente aussi l'avantage de détecter une source potentielle d'incendie avant l'apparition des flammes, contrairement à un capteur optique par exemple. The thermal radiation sensor 42 extends here on either side of the main motherboard 16, a small portion of the thermal radiation sensor 42 extending under the main motherboard 16, so that the main direction of detection X1 extends just above the upper face 30 of the main motherboard 16, generally in the same transverse plane as the surface electronic components 32. This allows to exploit the maximum opening angle al of the sensor of thermal radiation 42 by covering a maximum surface area on the main motherboard 16. This also makes it possible to detect a localized heating on the lower face of the main motherboard 16. The thermal radiation sensor 42 here makes it possible to detect a localized heating on the upper face 30 of the main motherboard 16, at an electronic surface component 32 or its connection to the electronic circuit 10, and a local heating fitted on the lower face 28 of the secondary motherboard 18, at the connection pads of the electronic components 22 passing through, that is to say at the welds of the legs of the through electronic components 22. Thus, in case of short circuit in an electronic component 22, 32, or at the connection of an electronic component 22, 32 with the corresponding motherboard 16, 18, causing a localized heating, the thermal radiation sensor 42 detects said localized heating and transmits the information to the central unit 38 so that it can take action by initiating a process of setting security of the electronic circuit 10. The safety can consist in cutting the power supply of the component 22, 32 or of the group of components 22, 32 on which a heating has been detected and the transmission of an alert message to the user of the electronic circuit 10. Advantageously, the detection of localized heating involves the implementation of a detection strategy by the central unit 38. This detection strategy makes it possible to detect a first temperature gradient corresponding to the detection of a potential risk of failure of the electronic circuit. 10 and a second temperature gradient corresponding to the detection of a high risk of starting fire. In the case of the detection of the first temperature gradient, the central unit 38 triggers a warning signal informing the user of the electronic circuit 10 of this risk of failure. In the case of the detection of the second temperature gradient, the central unit 38 triggers a security of the electronic circuit 10 which can lead to a power failure. The advantage of the thermal radiation sensor 42 according to the invention is that it makes it possible to detect a localized heating at its source, before the heating has been transmitted to peripheral elements and that it has been able to produce irreparable damage. in the electronic circuit 10. It also has the advantage of detecting a potential source of fire before the appearance of the flames, unlike an optical sensor for example.
Le montage du capteur de rayonnement thermique 42 sur la carte fille 40 permet de faciliter l'intégration mécanique et électrique du système de détection selon l'invention dans le circuit électronique 10. La carte fille 40 est agencée dans une zone dite froide du circuit électronique 10, c'est-à-dire une zone sécurisée où le risque de surchauffe est minimisé en vue d'assurer une fiabilité optimale du système de détection. Avantageusement, la carte fille 40 comporte un capteur de température ambiante, correspondant par exemple au composant électronique additionnel 47, permettant de fournir une température de référence au capteur de rayonnement thermique en vue d'améliorer la précision des mesures. La défaillance de certains composants de petites tailles tels que les capacités, les résistances, les diodes etc.... génère des points chauds très localisés où la température peut rapidement s'élever à plus de 800 degrés Celsius et produire des flammes. La chaleur émise par ce type de point chaud ne se diffuse que sur un rayon très proche du composant défaillant ce qui rend difficile leur détection par le capteur de rayonnement thermique 42. Pour compenser ce phénomène, la carte fille 40 peut comporter un capteur complémentaire 49, de préférence un capteur infrarouge passif, qui possède un cône de détection avec un angle d'ouverture très large, par exemple supérieur à 150 degrés, et qui est prévu pour détecter ces points chauds très localisés aux températures très élevées. Le capteur complémentaire 49 permet à l'unité centrale 38 de déclencher la mise en sécurité du circuit électronique 10 dans le cas d'un départ de feu soudain qui n'a pas pu être détecté par le capteur de rayonnement thermique 42. De préférence, le capteur infrarouge retenu est de technologie CMOS intégrant un convertisseur lumière/fréquence avec une photodiode intégrée. Sa bande spectrale va de 400nm à 2000nm ce qui permet de mesurer des températures comprises entre 800°C et 3000°C. La réponse du capteur infrarouge est une réponse fréquentielle. Afin d'éviter toute détection intempestive le seuil de détection est défini par une calibration qui est liée à la géométrie et aux profils de fonctionnement du circuit électronique 10. Ce seuil est consolidé par une phase expérimentale de caractérisation des départs de flammes spécifique aux défaillances du circuit électronique 10. Lorsque le circuit électronique 10 est en veille, le capteur complémentaire 49 est activé de manière intermittente afin de réduire la consommation de courant. Sur la figure 4, on a représenté un deuxième mode de réalisation de l'invention dans lequel une carte fille 40 comportant un capteur de rayonnement thermique 42 est agencée sur la face inférieure 50 de la carte mère principale 16. Des composants de surface 32 sont agencés sur la face supérieure 30 de la carte mère principale 16. Avantageusement, un collecteur thermique 52 est monté sur la face inférieure 50 de la carte mère principale 16. Le collecteur thermique 52 comporte une portion collectrice 54 agencée contre une portion de la carte mère principale 16 susceptible de subir un échauffement localisé et une portion de diffusion 56 agencée en vis-à-vis du capteur de rayonnement thermique 42. Selon l'exemple de réalisation représenté, le collecteur thermique 52 comprend une plaque 58 en matériau conducteur thermique, par exemple en alliage d'aluminium, qui comporte une première portion transversale sensiblement parallèle à la face inférieure 50 de la carte mère principale 16, formant la portion collectrice 54, et une seconde portion sensiblement orthogonale à la carte mère principale 16 formant la portion de diffusion 56. The mounting of the thermal radiation sensor 42 on the daughter card 40 facilitates the mechanical and electrical integration of the detection system according to the invention in the electronic circuit 10. The daughter card 40 is arranged in a so-called cold zone of the electronic circuit 10, that is to say a secure area where the risk of overheating is minimized to ensure optimal reliability of the detection system. Advantageously, the daughter card 40 comprises an ambient temperature sensor, corresponding for example to the additional electronic component 47, making it possible to provide a reference temperature to the thermal radiation sensor in order to improve the accuracy of the measurements. The failure of some small-sized components such as capacitors, resistors, diodes, etc., generates very localized hot spots where the temperature can quickly rise to more than 800 degrees Celsius and produce flames. The heat emitted by this type of hot spot diffuses only on a radius very close to the component that is failing, which makes it difficult for them to be detected by the thermal radiation sensor 42. To compensate for this phenomenon, the daughter card 40 may comprise an additional sensor 49 , preferably a passive infrared sensor, which has a detection cone with a very wide opening angle, for example greater than 150 degrees, and which is intended to detect these very localized hot spots at very high temperatures. The complementary sensor 49 allows the central unit 38 to trigger the trip of the electronic circuit 10 in the case of a sudden fire departure which could not be detected by the thermal radiation sensor 42. Preferably, the infrared sensor selected is of CMOS technology incorporating a light / frequency converter with an integrated photodiode. Its spectral band ranges from 400nm to 2000nm, which makes it possible to measure temperatures between 800 ° C and 3000 ° C. The infrared sensor response is a frequency response. In order to avoid any unwanted detection, the detection threshold is defined by a calibration which is linked to the geometry and to the operating profiles of the electronic circuit 10. This threshold is consolidated by an experimental phase of characterization of the flame starts specific to the failures of the circuit. electronic circuit 10. When the electronic circuit 10 is in standby, the complementary sensor 49 is activated intermittently in order to reduce the power consumption. FIG. 4 shows a second embodiment of the invention in which a daughter card 40 comprising a thermal radiation sensor 42 is arranged on the lower face 50 of the main motherboard 16. Surface components 32 are arranged on the upper face 30 of the main motherboard 16. Advantageously, a thermal collector 52 is mounted on the lower face 50 of the main motherboard 16. The thermal collector 52 has a collector portion 54 arranged against a portion of the motherboard main 16 may undergo localized heating and a diffusion portion 56 arranged vis-à-vis the thermal radiation sensor 42. According to the embodiment shown, the thermal collector 52 comprises a plate 58 of thermal conductive material, by example aluminum alloy, which has a first transverse portion substantially parallel to the underside 50 of the card m re main 16, forming the collector portion 54 and a second portion substantially orthogonal to the main board 16 forming the diffusion portion 56.
Avantageusement, une couche intermédiaire 60 en matériau conducteur thermique est interposée entre la carte mère principale 16 et la portion collectrice 54. La couche intermédiaire 60 est constituée par exemple d'un revêtement ou film élastomère isolant électrique inflammable et conducteur thermique, par exemple ayant une conductivité thermique de l'ordre de 1,6 W.m-LK-1. Cette couche intermédiaire 60 permet l'adhésion de la portion collectrice 54 à la face inférieure 50 de la carte mère principale 16 en favorisant le drainage thermique et en permettant de maitriser l'emballement thermique. En particulier la couche intermédiaire 60 assure une bonne répartition de la chaleur au niveau de la portion collectrice 54 jusqu'à la portion de diffusion 56. La portion collectrice 54 est prévue pour s'étendre sous les composants électroniques de surface 32 pour lesquels il est important de détecter l'apparition d'un échauffement localisé. Ainsi, en cas d'échauffement localisé, l'élévation de température est transmise à la portion collectrice 54 à travers la carte mère principale 16 et à travers la couche intermédiaire 60. L'échauffement du collecteur thermique 52 se transmet jusqu'à la portion de diffusion 56 ce qui produit un rayonnement situé exactement en vis-à-vis du capteur de rayonnement thermique 42 associé à ce collecteur thermique 52. Selon un troisième mode de réalisation représenté sur la figure 5, plusieurs capteurs de rayonnement thermique 42, ici au nombre de trois, sont agencés sur la même carte fille 40 et sont alignés suivant une direction transversale parallèle au plan de la carte mère principale 16. Un collecteur thermique 52 est agencé en vis-à-vis de chaque capteur de rayonnement thermique 42. Les directions de détection X1, X2, X3 des capteurs de rayonnement thermique 42 sont ici globalement parallèles. Ainsi, les champs de détection des capteurs thermiques 42 se superposent pour couvrir une zone de détection étendue sur la carte mère secondaire 18, ladite zone de détection étendue étant constituée de la superposition des zones de détection Zd définies par les trois capteurs de rayonnement thermique 42. La zone de détection étendue est donc plus grande que la zone de détection Zd définie par un seul capteur de rayonnement thermique 42. Lorsqu'un échauffement localisé apparaît sur la face supérieure 30 de la carte mère principale 16, par exemple en raison d'un court-circuit, la température s'élève localement. La chaleur produite se transmet au collecteur thermique 52 agencé sur la face opposée 50 de la carte mère principale 16, à travers la carte mère principale 16 et à travers la couche intermédiaire 60 de sorte que le capteur de rayonnement thermique 42 correspondant détecte une élévation de température dans son champ de détection, au niveau de la portion de diffusion 56 correspondante. Une information d'alerte peut alors être transmise par le capteur de rayonnement thermique 42 à l'unité centrale 38 qui peut mettre le circuit électronique 10 en sécurité. Selon des variantes de réalisation (non représentées), on peut combiner l'utilisation d'un seul capteur de rayonnement thermique 42 avec plusieurs collecteurs thermiques 52 agencés de manière appropriée, ou bien on peut combiner l'utilisation d'un seul collecteur thermique 52 de forme appropriée avec plusieurs capteurs de rayonnement thermique 42. Les capteurs de rayonnement thermique 42 pourraient être agencés de manière différente, par exemple en arc de cercle pour couvrir une zone plus étendue de la carte mère principale 16. D'autres variantes de réalisation de l'invention pourraient être envisagées, notamment en combinant les caractéristiques des différents modes de réalisation, sans sortir de l'étendue de protection définie par les revendications. Advantageously, an intermediate layer 60 of heat-conducting material is interposed between the main motherboard 16 and the collecting portion 54. The intermediate layer 60 is constituted for example by a flammable and thermally conductive electrical insulating elastomeric coating or film, for example having a thermal conductivity of the order of 1.6 Wm-LK-1. This intermediate layer 60 allows the adhesion of the collecting portion 54 to the lower face 50 of the main motherboard 16 by promoting thermal drainage and by controlling the thermal runaway. In particular, the intermediate layer 60 provides a good distribution of heat at the collector portion 54 to the diffusion portion 56. The collector portion 54 is provided to extend under the surface electronic components 32 for which it is important to detect the occurrence of localized heating. Thus, in case of localized heating, the rise in temperature is transmitted to the collecting portion 54 through the main motherboard 16 and through the intermediate layer 60. The heating of the heat collector 52 is transmitted to the portion 56 which produces a radiation located exactly vis-à-vis the thermal radiation sensor 42 associated with the thermal collector 52. According to a third embodiment shown in Figure 5, several heat radiation sensors 42, here at number of three, are arranged on the same daughter board 40 and are aligned in a transverse direction parallel to the plane of the main motherboard 16. A thermal collector 52 is arranged vis-à-vis each heat radiation sensor 42. detection directions X1, X2, X3 of the thermal radiation sensors 42 are here generally parallel. Thus, the detection fields of the thermal sensors 42 are superimposed to cover an extended detection zone on the secondary motherboard 18, said extended detection zone consisting of the superposition of the detection zones Zd defined by the three heat radiation sensors 42 The extended detection zone is therefore larger than the detection zone Zd defined by a single heat radiation sensor 42. When a localized heating occurs on the upper face 30 of the main motherboard 16, for example because of a short circuit, the temperature rises locally. The heat produced is transmitted to the heat sink 52 arranged on the opposite face 50 of the main motherboard 16, through the main motherboard 16 and through the intermediate layer 60 so that the corresponding heat radiation sensor 42 detects a rise in temperature. temperature in its detection field, at the corresponding diffusion portion 56. An alerting information can then be transmitted by the thermal radiation sensor 42 to the central unit 38 which can put the electronic circuit 10 in safety. According to alternative embodiments (not shown), it is possible to combine the use of a single heat radiation sensor 42 with several thermal collectors 52 suitably arranged, or the use of a single thermal collector 52 can be combined. of suitable shape with a plurality of heat radiation sensors 42. The heat radiation sensors 42 could be arranged differently, for example in an arc to cover a larger area of the main motherboard 16. Other embodiments of FIG. the invention could be envisaged, in particular by combining the characteristics of the various embodiments, without departing from the scope of protection defined by the claims.
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Also Published As
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