Dlaczego i w jaki sposób skutecznie używać bezpieczników elektronicznych do ochrony obwodów wrażliwych

Bezpieczniki termiczne są z powodzeniem stosowane od ponad 150 lat jako podstawowe urządzenie ochrony obwodów. Są skuteczne, niezawodne, łatwe w użyciu i występują w różnych wariantach i z różnymi parametrami znamionowymi, aby spełnić różne cele projektowe. Mają jednak nieuniknione wady dla projektantów wymagających ekstremalnie szybkiego odcięcia prądu, możliwości samoczynnego resetowania, a także zdolności do zadziałania przy relatywnie niskich wartościach prądu. Dla tych projektantów bezpieczniki elektroniczne - często określane jako eFuse lub e-Fuse - są doskonałym rozwiązaniem, czasami zastępującym, ale zwykle uzupełniającym bezpiecznik termiczny.

Bezpieczniki elektroniczne opierają się na prostej koncepcji pomiaru prądu poprzez zmierzenie napięcia na znanym rezystorze, a następnie wyłączania przepływu prądu przez tranzystor polowy (FET), gdy przekroczy on projektową wartość graniczną. Bezpiecznik elektroniczny charakteryzują cechy, elastyczność i funkcje, których nie ma bezpiecznik termiczny.

W niniejszym artykule opisano sposób działania bezpieczników elektronicznych. Przeanalizowano też charakterystykę, dodatkowe funkcje i efektywne wykorzystanie tych bezpieczników z obwodem aktywnym. Przedstawiono w nim także przykładowe rozwiązania firm Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage i STMicroelectronics oraz nakreślono ich efektywne wykorzystanie.

Jak działają bezpieczniki elektroniczne?

Zasada działania konwencjonalnego bezpiecznika termicznego jest prosta, dobrze znana i niezawodna: gdy prąd przepływający przez wkładkę topikową przekracza wartość projektową, wkładka ta nagrzewa się wystarczająco, aby się stopić. To powoduje przerwanie drogi przepływu prądu i natężenie prądu spada do zera. W zależności od wartości znamionowej i typu bezpiecznika, a także wielkości przetężenia, bezpiecznik termiczny może zareagować i przerwać drogę przepływu prądu w czasie od kilkuset milisekund do kilku sekund. Oczywiście podobnie jak w przypadku wszystkich komponentów aktywnych i pasywnych, to całkowicie pasywne urządzenie o prostej zasadzie działania charakteryzuje się wieloma wariantami, niuansami i wadami.

Bezpieczniki elektroniczne natomiast działają na zupełnie innej zasadzie. Realizują niektóre z tych samych funkcji, ale mają także nowe, odmienne funkcje i cechy. Podstawowa koncepcja bezpiecznika elektronicznego jest również prosta: prąd płynący do odbiornika przechodzi przez tranzystor polowy i rezystor pomiarowy, na którym monitorowane jest napięcie. Gdy nastąpi przekroczenie zadanej wartości, logika sterująca wyłącza tranzystor polowy i odcina przepływ prądu (ilustracja 1). Tranzystor polowy, który jest połączony szeregowo z przewodem zasilającym i odbiornikiem, musi mieć bardzo niską rezystancję w stanie włączenia, aby nie wywoływał nadmiernego spadku napięcia w wyniku przepływu prądu przez rezystancję (IR) ani strat mocy.

Ilustracja 1: gdy przez rezystor pomiarowy w bezpieczniku elektronicznym przepływa prąd z zasilania do odbiornika, jego napięcie jest monitorowane na tym rezystorze. Gdy przekroczy ono zadaną wartość, logika sterowania wyłącza tranzystor polowy (FET), blokując przepływ prądu do odbiornika. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Mogłoby się wydawać, że bezpiecznik elektroniczny to po prostu bardziej skomplikowana, aktywna wersja klasycznego, pasywnego bezpiecznika termicznego. Chociaż to prawda, bezpiecznik elektroniczny ma również kilka unikalnych atrybutów:

Prędkość: są to szybko działające urządzenia z czasem odcięcia rzędu mikrosekund, a niektóre z nich zaprojektowano tak, aby zapewniały reakcję nanosekundową. Jest to ważne z punktu widzenia dzisiejszych obwodów zawierających stosunkowo czułe układy scalone i komponenty pasywne.

Zadziałanie przy niskich prądach: bezpieczniki elektroniczne nie tylko mogą być zaprojektowane do zadziałania przy niskich natężeniach prądu (rzędu 100mA lub mniejszych), ale również dobrze działają przy niskich napięciach rzędu kilku woltów. Na tych poziomach przez bezpieczniki termiczne często nie przepływają prądy wystarczające do stopienia łącznika topliwego.

Resetowalność: w zależności od konkretnego modelu bezpiecznik elektroniczny oferuje możliwość pozostania wyłączonym po aktywacji (tzw. tryb blokady wyłączenia) lub wznowienia normalnej pracy, jeśli aktywna usterka zostanie usunięta (tryb automatycznego wznawiania pracy). To ostatnie ustawienie jest szczególnie przydatne w nieustalonych stanach prądu rozruchowego, w których nie występuje „twarda” usterka, na przykład gdy płytka jest podłączana do zasilanej magistrali. Przydaje się również tam, gdzie wymiana bezpiecznika byłaby trudna lub kosztowna.

Zabezpieczenie przed prądem wstecznym: w przeciwieństwie do bezpiecznika termicznego, bezpiecznik elektroniczny eFuse może również zapewnić ochronę przed prądem wstecznym. Prąd wsteczny może występować, gdy napięcie na wyjściu układu jest wyższe niż na jego wejściu. Może to mieć miejsce na przykład w przypadku zestawu redundantnych zasilaczy równoległych.

Zabezpieczenie nadnapięciowe: dzięki dodatkowym obwodom bezpieczniki elektroniczne mogą również zapewniać zabezpieczenie przed nadnapięciem czy skokami indukcyjnymi, wyłączając tranzystor polowy (FET) po przekroczeniu przez napięcie wejściowe ustawionego punktu granicznego nadnapięcia i pozostając w stanie wyłączenia tak długo, jak ten stan nadnapięcia będzie się utrzymywać.

Zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją: bezpiecznik elektroniczny może również zapewniać ochronę przed odwrotną polaryzacją, szybko odcinając przepływ prądu w przypadku podłączenia źródła odwrotnie. Przykładem jest akumulator samochodowy, który na krótką chwilę jest podłączony odwrotnie z powodu przypadkowego kontaktu z kablem.

Wzrost szybkości narastania: niektóre zaawansowane bezpieczniki elektroniczne mogą również zapewniać zdefiniowany wzrost szybkości narastania/opadania prądu, sterując włączaniem i wyłączaniem tranzystora polowego elementu przepustowego, poprzez sterowanie zewnętrzne lub przy użyciu stałych komponentów.

Z tych powodów bezpieczniki elektroniczne są atrakcyjnym rozwiązaniem kontroli przepływu prądu. Chociaż w niektórych przypadkach można ich używać zamiast bezpieczników termicznych, oba te typy często są stosowane w połączeniu. W takim układzie bezpiecznik elektroniczny jest używany do lokalnej, szybkiej ochrony obwodów podrzędnych lub płytek drukowanych, np. w systemach z możliwością przełączania (podłączania) podczas pracy, zastosowaniach motoryzacyjnych, programowalnych sterownikach logicznych (PLC) i przy zarządzaniu ładowaniem/rozładowaniem akumulatora; pomocniczy bezpiecznik termiczny zapewnia ochronę układu przed dużymi, poważnymi awariami, w przypadku których wymagane byłoby twarde i trwałe odcięcie zasilania.

W ten sposób projektant wykorzystuje największe zalety obydwu rozwiązań: wszystkie możliwości bezpieczników elektronicznych oraz prostego, jednoznacznego działania bezpiecznika termicznego. Osiąga się to bez technicznych kompromisów lub wad. Istnieją oczywiście pewne kompromisy, jak w przypadku każdej decyzji projektowej. W tym przypadku jest to przyrostowa rozbudowa i nieco większy wykaz materiałów (BOM).

Wybór bezpiecznika elektronicznego: funkcje i zastosowania

Wybierając bezpiecznik elektroniczny, należy wziąć pod uwagę kilka podstawowych parametrów. Najważniejszą kwestią jest, co nie zaskakuje, aktualny poziom, przy którym działa bezpiecznik. Taki poziom może wahać się od natężeń poniżej 1A do około 10A. Istotne jest także maksymalne napięcie na zaciskach wytrzymywane przez bezpiecznik. W przypadku niektórych bezpieczników elektronicznych ten poziom prądu jest stały, podczas gdy w przypadku innych może być ustawiany przez użytkownika za pomocą zewnętrznego rezystora. Inne czynniki doboru to m.in.: szybkość reakcji, prąd spoczynkowy, rozmiar (zajmowana powierzchnia) oraz liczba i typ zewnętrznych komponentów pomocniczych, o ile takowe są potrzebne. Ponadto projektanci muszą wziąć pod uwagę wszelkie dodatkowe cechy i funkcje, które mogą oferować różne modele bezpieczników elektronicznych.

Na przykład w sterownikach PLC, zastosowanie bezpieczników elektronicznych jest korzystne w różnych obwodach podrzędnych, które mogą być podatne na błędne połączenia zasilania i wejść/wyjść czujników. Udary prądowe występują także przy wykonywaniu połączeń przewodowych lub wymianie płytek podczas pracy. W tego typu instalacjach na napięcie 24V często stosuje się bezpiecznik elektroniczny np. TPS26620 firmy Texas Instruments. Na ilustracji 2 pokazano go z ustawionym natężeniem granicznym 500mA. Jego zakres pracy wynosi od 4,5V do 60V przy natężeniu prądu do 80mA. Charakteryzuje się programowalnym ograniczeniem prądu, zabezpieczeniem przed zbyt wysokim i zbyt niskim napięciem oraz odwrotną polaryzacją. Układ scalony może również sterować prądem rozruchowym i zapewniać solidną ochronę przed prądem wstecznym i nieprawidłowym podłączeniem przewodów w przypadku modułów wejścia-wyjścia sterowników PLC i zasilaczy czujników.

Ilustracja 2: przedstawiono bezpiecznik TPS26620 firmy Texas Instruments ustawiony na wyzwalanie przy natężeniu prądu 500mA w sterowniku PLC o napięciu 24V=. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Wykresy czasowe na ilustracji 3 dla bezpiecznika elektronicznego TCKE80518V, 5A firmy Toshiba pokazują porównanie wdrożenia trybu automatycznego wznawiania pracy i trybu blokady przez jednego dostawcę. W trybie automatycznego wznawiania pracy (ustawianym przez wtyk pakietu EN/UVLO), funkcja zabezpieczenia nadprądowego zapobiega uszkodzeniu bezpiecznika elektronicznego i odbiornika poprzez ograniczenie poboru mocy w przypadku awarii.

Ilustracja 3: bezpiecznik elektroniczny TCKE805 18V, 5A firmy Toshiba wykorzystuje sekwencję cyklu „testuj i powtórz” do oceny, czy przywrócenie przepływu prądu jest bezpieczne. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Jeśli prąd wyjściowy ustawiany za pomocą zewnętrznego rezystora (R_LIM) przekracza natężenie graniczne (I_LIM) z powodu błędu odbiornika lub zwarcia, natężenie wyjściowe i napięcie wyjściowe maleją, ograniczając w ten sposób moc pobieraną przez układ scalony i odbiornik. Gdy prąd wyjściowy osiągnie ustawioną wartość graniczną i zostanie wykryte przetężenie, prąd wyjściowy jest ograniczany tak, aby jego natężenie nie przekraczało wartości I_LIM. Jeśli sytuacja przetężenia nie zostanie usunięta na tym etapie, stan ograniczenia jest utrzymywany, a temperatura bezpiecznika elektronicznego nadal rośnie.

Gdy temperatura bezpiecznika elektronicznego osiągnie temperaturę roboczą funkcji wyłączania termicznego, tranzystor MOSFET bezpiecznika elektronicznego jest wyłączany, co całkowicie zatrzymuje przepływ prądu. Operacja automatycznego wznawiania pracy próbuje przywrócić przepływ prądu poprzez jego zatrzymanie, które obniża temperaturę i zwalnia wyłączanie termiczne. Jeśli temperatura ponownie wzrośnie, cykl jest powtarzany i powoduje zatrzymanie pracy, aż do usunięcia stanu przetężenia.

Tryb blokady natomiast ogranicza wyjście do momentu zresetowania bezpiecznika elektronicznego poprzez wtyk Enable (EN/UVLO) układu scalonego (ilustracja 4).

Ilustracja 4: w trybie blokady, w przeciwieństwie do trybu automatycznego wznawiania pracy, bezpiecznik elektroniczny firmy Toshiba nie resetuje się, dopóki nie zostanie to wymuszone przez wtyk Enable układu scalonego. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Niektóre bezpieczniki elektroniczne można skonfigurować tak, aby pozbyć się problemów związanych z pomiarem prądu na rezystorze, takich jak spadek napięcia spowodowany przepływem prądu przez rezystancję (IR), który powoduje zmniejszenie napięcia na szynie wyjściowej. Na przykład bezpiecznik elektroniczny STEF033AJR 3,3V firmy STMicroelectronics ma wartości nominalne prądu maksymalnego i rezystancji tranzystora polowego w stanie włączenia odpowiednio 3,6A i 40mΩ dla obudowy DFN oraz 2,5A i 25mΩ dla obudowy flip-chip. W konwencjonalnym połączeniu pokazanym na ilustracji 5, przy wyższych wartościach natężenia prądu, nawet niewielki spadek IR rzędu ok. 15mV w szynie zasilającej spowodowany przez rezystancję w stanie włączenia może być istotny i niepokojący.

Ilustracja 5: w konwencjonalnym oprzewodowaniu bezpiecznik STEF033AJR, który określa wartość graniczną, R-lim, jest umieszczany między dwoma wyznaczonymi zaciskami. (Źródło obrazu: STMicroelectronics)

Dzięki modyfikacji konwencjonalnego połączenia poprzez umieszczenie rezystora między połączeniem granicznym po stronie dodatniej a połączeniem napięcia wyjściowego (V_OUT/Source), implementuje się układ pomiarowy Kelvina, który kompensuje spadek IR (ilustracja 6).

Ilustracja 6: aby zmniejszyć skutki spadku IR przy pomiarze prądu, ujemną stronę rezystora ograniczającego podłącza się do wyjścia napięciowego (V_OUT/Source). (Źródło obrazu: STMicroelectronics)

Należy pamiętać, że chociaż bezpieczniki elektroniczne są półprzewodnikami i mogą pracować przy napięciach rzędu kilku woltów, nie są ograniczone do tego niskiego obszaru. Na przykład bezpieczniki elektroniczne firmy Texas Instruments z grupy TPS2662x posiadają znamionowe napięcia robocze od 4,5 do 57V.

Bezpiecznik elektroniczny: zrobić czy kupić?

Zasadniczo podstawowy bezpiecznik elektroniczny można zbudować z komponentów dyskretnych, używając kilku tranzystorów polowych, rezystora i cewki indukcyjnej. W ten sposób były budowane najwcześniejsze bezpieczniki elektroniczne, przy czym cewka służyła dwóm celom: filtrowaniu wyjściowego prądu stałego, a także działaniu jako rezystor pomiarowy wykorzystujący rezystancję prądu stałego jej uzwojeń.

Jednak ulepszony bezpiecznik elektroniczny o bardziej powtarzalnym działaniu, który uwzględnia charakterystyki jego komponentów, a także rzeczywiste uwarunkowania operacyjne, wymaga więcej niż kilku komponentów dyskretnych. Nawet z dodatkowymi komponentami może zapewnić tylko podstawowe funkcje bezpiecznika elektronicznego (ilustracja 7).

Ilustracja 7: bezpiecznik elektroniczny z podstawowymi funkcjami wykorzystujący komponenty dyskretne musi przewidywać i przezwyciężać ich naturalne ograniczenia. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

W praktyce nagromadzenie aktywnych i pasywnych komponentów dyskretnych szybko staje się nieporęczne, jest podatne na wahania parametrów działania pomiędzy poszczególnymi urządzeniami i powoduje problemy związane z początkową tolerancją, starzeniem się komponentów oraz dryftem temperaturowym. Krótko mówiąc, dyskretne rozwiązanie tworzone samodzielnie ma wiele ograniczeń:

• Obwody dyskretne generalnie jako komponent przepustowy wykorzystują tranzystor MOSFET z kanałem P, który jest droższy niż tranzystor MOSFET z kanałem N, jeśli chodzi o osiągnięcie tej samej wartości rezystancji w stanie włączenia (R_DS(ON)).
• Rozwiązania dyskretne są nieefektywne, ponieważ wiążą się z rozpraszaniem mocy na diodzie i wynikającym z tego wzrostem temperatury płytki.
• W przypadku obwodów dyskretnych trudno jest uwzględnić odpowiednie zabezpieczenie termiczne komponentu przepustowego w postaci tranzystora polowego. W rezultacie to krytyczne ulepszenie należy pominąć lub projekt musi zostać znacznie przewymiarowany, aby zapewnić odpowiedni bezpieczny obszar roboczy (SOA).
• Kompleksowy obwód dyskretny wymaga wielu komponentów i znacznej przestrzeni na płytce, a zapewnienie solidności i niezawodności obwodu zabezpieczającego wymaga dodatkowych komponentów.
• Chociaż szybkość narastania napięcia wyjściowego w konstrukcjach dyskretnych jest regulowana za pomocą komponentów rezystora i kondensatora (RC), komponenty te muszą być dobrane z dokładnym zrozumieniem charakterystyki bramki tranzystora polowego.

Nawet jeśli rozwiązanie z komponentów dyskretnych byłoby akceptowalne, charakteryzowałoby się pewnymi ograniczeniami w stosunku do rozwiązania wykorzystującego układ scalony. Ten ostatni może realizować niektóre lub wszystkie z wielu wcześniej wymienionych funkcji dodatkowych, jak pokazano na schemacie blokowym bezpiecznika elektronicznego na ilustracji 8. Ponadto układ scalony jest mniejszy, ma bardziej powtarzalne i w pełni scharakteryzowane parametry działania oraz zapewnia poczucie bezpieczeństwa podczas implementacji, którego rozwiązanie wielokomponentowe nie może zaoferować. Pozwala również zmniejszyć koszt rozwiązania. Należy zwrócić uwagę, że arkusz danych TPS26620 zawiera kilkadziesiąt wykresów parametrów działania i charakterystyk czasowych obejmujących różne warunki pracy, z których wszystkie byłyby trudne do stworzenia w przypadku przyjęcia strategii samodzielnego zbudowania rozwiązania.

Ilustracja 8: widoczna na pierwszy rzut oka prostota i wygląd bezpiecznika elektronicznego z kompletem funkcji przysłaniają jego wewnętrzną złożoność, która byłaby bardzo trudna do odtworzenia przy użyciu komponentów dyskretnych. (Źródło ilustracji: Texas Instruments)

Jest jeszcze jeden kluczowy powód, dla którego warto kupić standardowy układ scalony bezpiecznika elektronicznego zamiast iść drogą jego samodzielnego wykonania z komponentów dyskretnych, a mianowicie homologacje. Wiele bezpieczników - termicznych i elektronicznych - jest używanych w zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem, aby zapobiegać stanom, w których nadmierny prąd może spowodować przegrzanie komponentu, a nawet pożar lub wyrządzić szkody użytkownikom.

Wszystkie konwencjonalne bezpieczniki termiczne są homologowane przez różne agencje regulacyjne i certyfikowane pod kątem zgodności z różnymi normami w celu zapewnienia bezpiecznego odcięcia prądu przy poprawnej eksploatacji. Jednak uzyskanie takich samych homologacji dla urządzenia samodzielnie wykonanego z komponentów dyskretnych byłoby bardzo trudne i czasochłonne, a prawdopodobnie nawet niemożliwe.

Z kolei wiele układów scalonych bezpieczników elektronicznych posiada już homologacje. Na przykład bezpieczniki elektroniczne z serii TPS2662x posiadają certyfikat UL 2367 („Półprzewodnikowe zabezpieczenie nadprądowe specjalnego przeznaczenia”) oraz certyfikat IEC 62368-1 (Sprzęt audio/wideo, informacyjny i komunikacyjny - Część 1: Wymagania bezpieczeństwa). Spełniają również wymagania normy IEC 61000-4-5 („Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC) - Część 4-5: Techniki badań i pomiarów - Badanie odporności na udary”). Aby uzyskać taki certyfikat, bezpieczniki elektroniczne są poddawane testom pod kątem parametrów działania w ich podstawowej roli, a także w warunkach minimalnej i maksymalnej temperatury pracy, minimalnej i maksymalnej temperatury przechowywania i transportu, a także wyczerpującym testom w nietypowych warunkach, testom wytrzymałościowym oraz testom w warunkach cyklicznych zmian temperatury.

Podsumowanie

Bezpieczniki elektroniczne, które do odcięcia przepływu prądu wykorzystują aktywne obwody zamiast wkładki topikowej, pomagają projektantom spełnić wymagania, takie jak m.in. szybkie odcięcie, samoczynne resetowanie i niezawodne zadziałanie przy niskich natężeniach prądu. Są również wyposażone w różne funkcje ochronne, a także mają regulowane szybkości narastania. Jako takie stanowią dla projektantów cenny dodatek do zestawu obejmującego zabezpieczające komponenty, obwody i systemy.

Bezpieczniki elektroniczne mogą zastąpić konwencjonalne bezpieczniki termiczne, chociaż w wielu przypadkach zapewniają ochronę lokalną i bezpieczniki termiczne stanowią ich uzupełnienie. Podobnie jak sprawdzony bezpiecznik termiczny, wiele bezpieczników elektronicznych również jest certyfikowanych do realizacji funkcji związanych z bezpieczeństwem, co zwiększa ich wszechstronność i zakres zastosowania.

Materiały dodatkowe

1. „IEC 62368-1 nadchodzi: nowa norma bezpieczeństwa dotycząca technologii informacyjnych i komunikacyjnych (ICT) oraz sprzętu audio-wideo (AV)”
2. „Dobór właściwego zasilacza ma krytyczne znaczenie dla spełnienia nowych wymagań norm IEC/UL IEC-62368 stawianych produktom konsumenckim”
3. „Samouczek dotyczący bezpieczników”
4. „Jak wybrać i zastosować technologie inteligentnego pomiaru i monitorowania prądu (zamiast bezpieczników)”