Użycie bezpieczników elektronicznych eFuse do projektowania kompaktowych rozwiązań do ochrony przed zwarciami, przepięciami i temperaturą

Wszechobecność urządzeń elektronicznych w domu, biurze i przemyśle stwarza potrzebę kompaktowej, taniej, szybkiej, resetowalnej i regulowanej ochrony. Jest ona coraz ważniejsza dla zapewnienia bezpieczeństwa użytkownika i maksymalnego czasu pracy urządzeń. Konwencjonalne metody wykorzystujące bezpieczniki topikowe charakteryzują się nieprecyzyjnymi prądami wyłączania i długimi czasami odpowiedzi oraz zazwyczaj są obarczone niedogodnościami związanymi z koniecznością wymiany bezpiecznika.

Chociaż możliwe jest zaprojektowanie odpowiedniego rozwiązania zabezpieczającego od podstaw, nie jest łatwo spełnić wysokie wymagania dotyczące opóźnień i precyzji w urządzeniu resetowalnym. Ponadto oczekuje się, że to samo rozwiązanie będzie teraz oferować regulowane zabezpieczenie nadprądowe, regulowaną szybkość narastania prądu rozruchowego, progowanie nadnapięć, blokowanie prądu wstecznego i zabezpieczenie termicznie. Taka konstrukcja wymaga wielu dyskretnych komponentów i kilku układów scalonych, które razem zajmują znaczną powierzchnię na płytce drukowanej, podnoszą koszty i opóźniają wprowadzenie na rynek. Poziom trudności wzrasta jeszcze bardziej ze względu na potrzebę zapewnienia wysokiego poziomu niezawodności i wymóg spełnienia międzynarodowych norm bezpieczeństwa, takich jak IEC/UL62368-1 i UL2367.

Aby sprostać tym wymaganiom i zapewnić nanosekundowe (ns) zabezpieczenie przeciwzwarciowe, projektanci mogą zastosować układy scalone z bezpiecznikami elektronicznymi eFuse, które są około milion razy szybsze niż konwencjonalne bezpieczniki topikowe lub urządzenia PPTC.

W niniejszym artykule opisano, dlaczego istnieje potrzeba szybszej, bardziej wytrzymałej, kompaktowej, niezawodnej i ekonomicznej ochrony obwodów. W jego dalszej części omówiono bezpieczniki elektroniczne eFuse oraz sposób ich działania. Następnie przedstawiono kilka opcji bezpieczników elektronicznych eFuse firmy Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation i pokazano, w jaki sposób wspierają one potrzeby projektantów w zakresie opłacalnej, kompaktowej i solidnej ochrony.

Potrzeby w zakresie ochrony obwodów

Stany nadprądowe, zwarcia, przeciążenia i przepięcia to tylko niektóre z podstawowych potrzeb w zakresie ochrony obwodów i układów elektronicznych. W stanie przetężenia przez żyłę przepływa nadmierny prąd. Może to prowadzić do wytwarzania dużej ilości ciepła i ryzyka pożaru lub uszkodzenia sprzętu. Warunki nadprądowe mogą być spowodowane zwarciami, nadmiernymi obciążeniami, błędami projektowymi, awariami komponentów oraz zwarciami łukowymi lub doziemnymi. Aby chronić obwody i użytkowników urządzeń, zabezpieczenie nadprądowe musi działać natychmiast.

Warunki przeciążenia występują, gdy nadmierny prąd nie jest niebezpieczny natychmiast, ale długoterminowe konsekwencje mogą być tak samo niebezpieczne, jak stan wysokiego przetężenia. Zabezpieczenie przeciwprzeciążeniowe jest realizowane z różnymi opóźnieniami czasowymi w zależności od poziomu przeciążenia. Wraz ze wzrostem przeciążenia opóźnienie maleje. Zabezpieczenie przeciwprzeciążeniowe można zrealizować za pomocą zwłocznych bezpieczników topikowych.

Warunki przepięciowe mogą powodować niestabilną pracę układu, a także prowadzić do wytwarzania nadmiernego ciepła i zwiększonego ryzyka wystąpienia pożaru. Przepięcia także mogą stanowić bezpośrednie zagrożenie dla użytkowników systemu lub operatorów. Podobnie jak w przypadku przetężenia, zabezpieczenie nadnapięciowe musi działać szybko, aby odciąć źródło.

W niektórych zastosowaniach wykorzystywane są dodatkowe funkcje ochrony, które wykraczają poza te podstawowe, aby zapewnić bezpieczną i stabilną pracę. Są to m.in. regulowane poziomy zabezpieczenia nadnapięciowego i nadprądowego, sterowanie prądem rozruchowym, zabezpieczenie termiczne i blokada prądu wstecznego. Różne urządzenia do ochrony obwodów mogą zaspokoić różne kombinacje potrzeb w zakresie ochrony obwodów.

Sposób działania bezpieczników elektronicznych eFuse

Układy scalone bezpieczników elektronicznych eFuse zapewniają bardziej rozbudowane funkcje zabezpieczające i wyższy poziom kontroli w porównaniu z konwencjonalnymi bezpiecznikami topikowymi i urządzeniami PPTC (ilustracja 1). Oprócz szybkiej ochrony przeciwzwarciowej, bezpieczniki elektroniczne eFuse zapewniają precyzyjne progowanie nadnapięć, regulowane zabezpieczenie nadprądowe, regulację napięcia i sterowanie szybkością narastania prądu w celu zminimalizowania prądów rozruchowych oraz włączanie termiczne. Warianty zawierają również wbudowaną blokadę prądu wstecznego.

Ilustracja 1: bezpiecznik elektroniczny eFuse może zastąpić konwencjonalne bezpieczniki topikowe lub urządzenia PPTC oraz zapewnić dodatkowe funkcje zabezpieczające i wyższy poziom kontroli. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Jednym z elementów o kluczowym znaczeniu dla działania bezpieczników elektronicznych eFuse jest wewnętrzny tranzystor mocy MOSFET, którego rezystancja w stanie włączenia zwykle mieści się w zakresie miliomów (mΩ) i który może obsługiwać wysokie prądy wyjściowe (ilustracja 2). Podczas normalnej pracy bardzo niska rezystancja w stanie włączenia tranzystora mocy MOSFET dba o to, aby napięcie na wyjściu VOUT było prawie identyczne z napięciem na wejściu VIN. Po wykryciu zwarcia tranzystor MOSFET bardzo szybko się wyłącza, a gdy układ powraca do normy, tranzystor MOSFET jest używany do sterowania prądem rozruchowym.

Ilustracja 2: tranzystor mocy MOSFET o małej rezystancji w stanie włączenia (u góry pośrodku) jest kluczem do zapewnienia szybkiego działania i możliwości kontrolowanego uruchamiania bezpieczników elektronicznych eFuse. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Oprócz tranzystora mocy MOSFET do licznych korzyści działania bezpieczników elektronicznych eFuse zaliczyć można ich aktywny charakter (tabela 1). Konwencjonalne bezpieczniki topikowe i urządzenia PPTC są urządzeniami pasywnymi o niskiej dokładności jeśli chodzi o prąd wyzwalający. Ich zasada działania opiera się na prawie Joule'a, co oznacza, że wytworzenie ciepła wymaga czasu, co wydłuża ich czas reakcji. Z drugiej strony bezpiecznik elektroniczny eFuse stale monitoruje prąd, a gdy osiągnie on 1,6-krotność regulowanego poziomu ograniczenia prądu, uaktywniane jest zabezpieczenie przeciwzwarciowe. Po uruchomieniu bezpiecznika elektronicznego eFuse funkcja ultraszybkiego zabezpieczenia przeciwzwarciowego redukuje prąd do wartości bliskiej zeru w zaledwie 150 do 320ns, w porównaniu z czasem reakcji 1 sekundy lub dłuższym w bezpiecznikach topikowych i urządzeniach PPTC. Tak krótki czas reakcji zmniejsza obciążenia systemu, zwiększając jego odporność. Ponieważ bezpiecznik elektroniczny eFuse nie ulega zniszczeniu w wyniku zwarcia, może być używany wielokrotnie.

Tabela 1: układy scalone bezpiecznika elektronicznego eFuse zapewniają większą szybkość ochrony, wyższy poziom precyzji i pełniejszy zestaw funkcji zabezpieczających w porównaniu z bezpiecznikami topikowymi i urządzeniami PPTC (przełącznikami wielobiegunowymi). (Źródło tabeli: Toshiba)

W porównaniu z konwencjonalnymi bezpiecznikami topikowymi, które są urządzeniami jednorazowego użytku, bezpieczniki elektroniczne eFuse przyczyniają się do obniżenia kosztów konserwacji oraz skrócenia czasu przywracania sprawności i naprawy. Bezpieczniki elektroniczne eFuse oferują dwa tryby przywracania sprawności po awarii: tryb automatycznego przywracania sprawności spowoduje powrót do normalnego działania po usunięciu stanu awarii, natomiast zabezpieczenie zatrzaskowe powraca do poprzedniego stanu po przyłożeniu zewnętrznego sygnału po usunięciu awarii. W bezpieczniku elektronicznym eFuse przewidziano także zabezpieczenie nadnapięciowe i termiczne, które nie są dostępne w konwencjonalnych bezpiecznikach topikowych czy urządzeniach PPTC.

Dobór bezpieczników elektronicznych eFuse

Dobór odpowiedniego bezpiecznika elektronicznego eFuse zwykle zaczyna się od szyn zasilających w danym zastosowaniu. W przypadku szyn zasilających o napięciu od 5 do 12V dobrą opcją będą bezpieczniki elektroniczne eFuse serii TCKE8xx. Ich znamionowe parametry wejściowe sięgają 18V i 5A, posiadają certyfikat IEC 62368-1 i są dostarczane w obudowach WSON10B o wymiarach 3.0mm x 3.0mm x 0,7mm z rastrem 0,5mm (ilustracja 3).

Ilustracja 3: bezpieczniki elektroniczne eFuse firmy Toshiba znajdują się w obudowie WSON10B do montażu powierzchniowego o wymiarach 3mm x 3mm i wysokości 0,7mm. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Seria TCKE8xx oferuje projektantom elastyczność, w tym regulowany limit przetężenia ustawiany przez zewnętrzny rezystor, regulowane sterowanie szybkością narastania ustawianą przez zewnętrzny kondensator, zabezpieczenie nadnapięciowe i podnapięciowe, wyłączenie termiczne i wtyk sterujący na potrzeby opcjonalnego blokowania prądu wstecznego zewnętrznym tranzystorem polowym (FET).

Projektanci mają również do wyboru trzy różne poziomy progowania nadnapięć: 6,04V dla układów 5V (na przykład TCKE805NL, RF), 15,1V dla układów 12V (w tym TCKE812NL, RF) i bez progowania (np. TCKE800NL, RF) (ilustracja 4). Zabezpieczenie nadnapięciowe jest dostępne w postaci automatycznego wznawiania pracy i progowania, w zależności od modelu, a poziomy progowania są ustawiane z dokładnością do 7%. Blokada podnapięciowa jest programowana za pomocą zewnętrznego rezystora. Funkcja wyłączenia termicznego chroni układ scalony przed nadmierną temperaturą, wyłączając bezpiecznik elektroniczny eFuse, gdy jego temperatura przekroczy 160°C. Modele z zabezpieczeniem termicznym i funkcją wznawiania pracy uruchamiają się ponownie, gdy temperatura spadnie o 20°C.

Ilustracja 4: bezpieczniki elektroniczne eFuse serii TCKE8xx są dostępne z napięciami progowymi 6,04V dla układów 5V (TCKE805), 15,1V dla układów 12V (TCKE812) i bez progowania (TCKE800). (Źródło ilustracji: Toshiba)

Aby zapewnić stabilną pracę, omawiane bezpieczniki elektroniczne eFuse zawierają opcję pozwalającą projektantom ustawić szybkość narastania prądu i napięcia podczas rozruchu (ilustracja 5). Po włączeniu zasilania do kondensatora wyjściowego może popłynąć duży prąd rozruchowy powodujący zadziałanie bezpiecznika elektronicznego eFuse i niestabilne działanie. Zewnętrzny kondensator na wtyku dV/dT bezpiecznika elektronicznego eFuse ustawia szybkość narastania podczas rozruchu dla napięcia i prądu, zapobiegając niepożądanemu wyzwoleniu.

Ilustracja 5: projektanci mogą ustawić szybkość narastania rozruchowego napięcia i prądu, aby zapewnić stabilną pracę bezpiecznika elektronicznego eFuse. (Źródło ilustracji: Toshiba)

W zależności od wymagań konkretnego zastosowania projektanci mogą dodać zewnętrzny tranzystor mocy MOSFET z kanałem N do blokowania prądu wstecznego, diodę ogranicznika przepięciowego (TVS) do ochrony przed stanami nieustalonymi napięcia wejściowego oraz diodę barierową Schottky'ego (SBD) do ochrony przed ujemnymi skokami napięcia na wyjściu bezpiecznika elektronicznego eFuse (ilustracja 6). Blokowanie prądów wstecznych może być przydatne w zastosowaniach, takich jak dyski i ładowarki baterii z możliwością wymiany podczas pracy. Zewnętrzny tranzystor MOSFET jest sterowany przez wtyk EFET.

Dodanie diody TVS jest potrzebne w układach, w których na szynie zasilającej występują stany nieustalone napięcia o wartości przekraczającej maksymalną wartość znamionową bezpiecznika elektronicznego eFuse. W niektórych zastosowaniach na wyjściu bezpiecznika elektronicznego eFuse może pojawić się ujemny skok napięcia, a wówczas układy scalone i inne urządzenia po stronie odbiornika, a także sam bezpiecznik elektroniczny eFuse chroni opcjonalna dioda SBD. Firma Toshiba zaleca stosowanie zewnętrznego tranzystora MOSFET SSM6K513NU,LF, diody TVS DF2S23P2CTC,L3F oraz diody SBD CUHS20S30,H3F.

Ilustracja 6: typowe zastosowanie bezpieczników elektronicznych eFuse serii TCKE8xx z opcjonalną diodą TVS do ochrony przed nieustalonymi stanami przepięcia na wejściu, diodą SBD do ochrony przed ujemnymi skokami napięcia na wtyku wyjściowym oraz zewnętrznym tranzystorem MOSFET do blokowania prądu wstecznego. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Bezpiecznik elektroniczny eFuse z wbudowanym tranzystorem MOSFET blokującym prąd wsteczny

W przypadku zastosowań, które wymagają najmniejszego możliwego rozwiązania i blokowania prądu wstecznego, projektanci mogą użyć bezpiecznika elektronicznego eFuse TCKE712BNL,RF, który zawiera dwa wewnętrzne tranzystory MOSFET (ilustracja 7). Drugi wewnętrzny tranzystor MOSFET nie powoduje obniżenia parametrów działania, a łączna rezystancja obu tranzystorów MOSFET w stanie włączenia wynosi zaledwie 53mΩ, czyli mniej więcej tyle samo, co przy użyciu zewnętrznego blokującego tranzystora MOSFET.

Ilustracja 7: bezpiecznik elektroniczny eFuse TCKE712BNL,RF zawiera dwa tranzystory MOSFET (u góry pośrodku) umożliwiające blokowanie prądu wstecznego bez potrzeby stosowania zewnętrznego tranzystora MOSFET. (Źródło ilustracji: Toshiba)

W porównaniu z modelami o ustalonym napięciu z serii TCKE8xx, bezpiecznik elektroniczny eFuse TCKE712BNL,RF ma zakres napięć wejściowych od 4,4 do 13,2V. Aby obsłużyć ten zakres możliwych napięć wejściowych, jest wyposażony we wtyk zabezpieczenia nadnapięciowego (OVP), który umożliwia projektantom ustawienie poziomu ochrony przed przepięciem w celu dostosowania go do określonych potrzeb układu. Ponadto bezpiecznik TCKE712BNL posiada dodatkowy wtyk FLAG, który podaje sygnał wyjściowy otwartego drenu, informujący o awarii.

Podsumowanie

Zapewnienie ochrony obwodu i użytkownika w układach elektronicznych ma kluczowe znaczenie, szczególnie w obliczu coraz większej liczby urządzeń i wzrostu prawdopodobieństwa wystąpienia awarii. Projektanci muszą ograniczyć koszty i zajmowaną przez urządzenia powierzchnię do minimum, jednocześnie osiągając maksymalną elastyczność ochrony i spełniając odpowiednie normy ochrony.

Dzięki ultraszybkiemu działaniu, precyzji, niezawodności i możliwości ponownego użycia, bezpieczniki elektroniczne eFuse nie tylko stanowią dla projektantów wydajną i elastyczną alternatywę dla konwencjonalnych bezpieczników topikowych i urządzeń PPTC, ale także oferują szeroki zakres wbudowanych funkcji, które znacznie upraszczają zadanie projektowania obwodów i ochrony użytkownika.

Rekomendowane artykuły

1. „Jak wybrać i zastosować technologie inteligentnego wykrywania i monitorowania prądu (zamiast bezpieczników topikowych)”
2. Projektowanie obwodów ochronnych zgodnie z nową normą IEC 62368-1 dla urządzeń AV/ICT