Bezpieczniki eFuse jako kompleksowa ochrona nowoczesnych urządzeń elektronicznych
| TechnikaCoraz większa liczba urządzeń elektronicznych znajdujących się w naszym otoczeniu, w domu, biurze i przemyśle wymusza potrzebę dostępności małych, tanich, szybkich, resetowalnych i regulowanych zabezpieczeń obwodów elektronicznych. Takie elementy stają się istotne dla zapewnienia bezpieczeństwa i maksymalnego czasu pracy urządzenia. Konwencjonalne rozwiązania bezpiecznikowe nie dają tylu możliwości ochrony ani nie oferują powtarzalności, a także zwykle wiążą się z niewygodą związaną z koniecznością wymiany wkładki topikowej.
Chociaż możliwe jest zaprojektowanie odpowiedniego rozwiązania zabezpieczającego obwód elektryczny od podstaw, z elementów dyskretnych, nie jest łatwo sprostać wysokim wymaganiom dotyczącym małych opóźnień i precyzji w zadziałaniu oraz możliwości resetowania zabezpieczenia po zadziałaniu. Projektanci oczekują też dużej funkcjonalności, a więc, że to samo rozwiązanie będzie pozwalało na realizację regulowanego zabezpieczenia nadprądowego obwodu, zapewni programowaną szybkość narastania prądu rozruchowego, umożliwi ograniczanie przepięć, blokowanie prądu wstecznego i będzie miało zabezpieczenie termiczne. Układ o takiej złożoności wymagałby użycia wielu elementów dyskretnych i kilku układów scalonych, które razem byłyby kosztowne, czasochłonne w projektowaniu i zajęłyby znaczną powierzchnię na płytce drukowanej. Dodatkową trudnością jest potrzeba zapewnienia wysokiego poziomu niezawodności i wymóg spełnienia międzynarodowych norm bezpieczeństwa, takich jak IEC/UL62368-1 i UL2367.
Aby sprostać tym wymaganiom, projektanci mogą dzisiaj skorzystać z układów scalonych realizujących funkcje bezpiecznika elektronicznego (eFuse), które umożliwiają zapewnienie ochrony przed zwarciem ze zwłoką nanosekundową, a więc działają około miliona razy szybciej niż konwencjonalne bezpieczniki topikowe lub PTC.
Niniejszy artykuł opisuje, dlaczego projektanci powinni sięgać po eFuse, następnie przedstawia kilka dostępnych rozwiązań tego typu firmy Toshiba Electronic Devices i pokazuje, w jaki sposób elementy te pomagają projektantom zrealizować ekonomiczną, kompaktową i niezawodną ochronę.
Ochrona obwodów
Przetężenia, przeciążenia prądowe, zwarcia i przepięcia to tylko niektóre z podstawowych zagrożeń w systemach elektronicznych. W stanie przetężenia przez przewodnik przepływa nadmierny prąd. Może to prowadzić do nadmiernego wytwarzania ciepła i ryzyka pożaru lub uszkodzenia. Stany takie mogą być spowodowane zwarciami, zbyt dużymi obciążeniami, błędami projektowymi, awariami komponentów oraz zwarciami łukowymi lub doziemnymi. Aby chronić obwody i użytkowników urządzeń, zazabezpieczenie nadprądowe musi zadziałać natychmiast.
Przeciążenia występują, gdy zwiększona wartość prądu nie jest bezpośrednio niebezpieczna, ale długoterminowe konsekwencje mogą być tak samo groźne, jak stan przetężenia. Zabezpieczenie przeciążeniowe jest realizowane z różnym opóźnieniem czasowym w zależności od stopnia przeciążenia. Im większe przeciążenie, tym opóźnienie zadziałania jest mniejsze. Zabezpieczenie przed przeciążeniem można zrealizować za pomocą bezpieczników zwłocznych.
Przepięcia mogą powodować niestabilną pracę urządzenia, a także mogą prowadzić do nagrzewania i zwiększają ryzyko pożaru. Mogą również stanowić zagrożenie dla użytkowników. Podobnie jak w przypadku przetężenia, zabezpieczenie przepięciowe musi działać szybko.
Niektóre aplikacje wymagają rozbudowy tego zestawu podstawowych funkcji ochronnych, aby zapewnić bezpieczną i stabilną pracę w każdych warunkach, w tym np. regulowane poziomy wyzwalania zabezpieczenia nadnapięciowego i nadprądowego, ograniczenie prądu rozruchowego, zabezpieczenie termiczne i blokowanie prądu wstecznego. Do takich zadań wykorzystuje się różne elementy i obwody ochronne po to, aby spełnić wszystkie wymagania.
Jak działają eFuse?
Układy scalone eFuse zapewniają rozbudowane funkcje zabezpieczające i wyższy poziom kontroli parametrów w obwodzie w porównaniu z konwencjonalnymi bezpiecznikami jednorazowymi i odwracalnymi typu PTC (rys. 1). Poza funkcją szybkiej ochrony przeciwzwarciowej, eFuses zapewniają precyzyjne tłumienie przepięć w obwodzie, mają regulowane zabezpieczenie nadprądowe, stabilizowane napięcie wyjściowe, a także pozwalają na sterowanie szybkością narastania prądu w celu zminimalizowania prądów rozruchowych oraz mają wyłącznik termiczny. Wybrane wersje zawierają również funkcję blokady prądu wstecznego.
Jednym z kluczowych elementów zapewniających dużą wydajność eFuse jest wewnętrzny tranzystor MOSFET mocy z miliomową rezystancją w stanie przewodzenia "on", który może przewodzić duże prądy wyjściowe (rys. 2). Podczas normalnej pracy bardzo mała rezystancja przewodzenia MOSFET-a sprawia, że napięcie na VOUT jest prawie identyczne z napięciem na VIN. Po wykryciu zwarcia MOSFET bardzo szybko się wyłącza, a podczas załączania napięcia element ten jest używany do ograniczania wartości prądu rozruchowego.
Układy eFuse mają wiele zalet, które zebrano w tabeli 1. Tradycyjne bezpieczniki jednorazowe i wersje odwracalne PTC to elementy pasywne o małej dokładności w zakresie wartości prądu wyzwalania. Opierają się na nagrzewaniu elementu w wyniku płynącego prądu, co wymaga czasu i wydłuża czas reakcji na zdarzenie. W przeciwieństwie do tego eFuse stale monitoruje płynący prąd, a gdy osiągnie on 1,6-krotność ustawionego poziomu progowego, inicjowane jest zabezpieczenie przeciwzwarciowe. Po aktywacji, działający obwód ochronny zmniejsza prąd do wartości bliskiej zeru, w porównaniu z czasem reakcji 1 s lub dłuższym dla bezpieczników topikowych i PTC eFuse odcina obwód w 150–320 ns. Ten krótki czas reakcji zmniejsza przeciążenia elementów systemu i zwiększa odporność na trwałe awarie. Ponieważ bezpiecznik eFuse nie ulega zniszczeniu w czasie zwarcia, może być używany wielokrotnie.
W porównaniu z jednorazowymi bezpiecznikami topikowymi, eFuses obniżają koszty obsługi technicznej oraz skracają czas naprawy. Elementy te pozwalają na ustawienie dwóch sposobów reakcji po zakończeniu awarii – automatyczny powrót do normalnego działania lub blokada, która jest zwalniana po przyłożeniu sygnału zewnętrznego. Zabezpieczenie przepięciowe i termiczne realizowane przez eFuse nie jest możliwe do uzyskania przy użyciu konwencjonalnych bezpieczników.
Dostępne produkty
Wybór odpowiedniego produktu zwykle rozpoczyna się od doboru ochrony dla szyn zasilających. W przypadku napięć od 5 do 12 V dobrym rozwiązaniem są układy z serii TCKE8xx. Pracują z napięciem do 18 V i prądem 5 A, spełniają normę bezpieczeństwa IEC 62368-1 oraz wymagania UL2367 i są wytwarzane w obudowie WSON10B o wymiarach 3×3×0,7 mm z rastrem 0,5 mm (rys. 3).
Układy TCKE8xx zapewniają elastyczność ustalania limitów przetężeń z użyciem zewnętrznego rezystora, regulację szybkości narastania napięć ustawianą przez zewnętrzny kondensator, ochronę przed przepięciami i za niskim napięciem zasilania (podnapięciowa). Jest ponadto wyłącznik termiczny i wydzielony pin sterujący opcjonalnym zewnętrznym tranzystorem FET do blokowania przepływu prądu wstecznego.
Do wyboru są trzy poziomy ograniczania przepięć; 6,04 V dla systemów zasilanych z 5 V (np. TCKE805NL, RF), 15,1 V dla szyny 12 V (TCKE812NL, RF) i wersja bez ogranicznika (TCKE800NL, RF) – rysunek 4. Zabezpieczenie przeciwprzepięciowe jest dostępne z opcją powrotu do normalnego działania lub z blokadą, a poziomy aktywacji są ustawiane z dokładnością do 7%. Blokada podnapięciowa jest programowana za pomocą zewnętrznego rezystora. Wyłącznik termiczny chroni układ przed przegrzaniem i aktywuje się przy 160°C. Wersje z automatycznym wznowieniem pracy zaczynają ponownie działać, gdy temperatura spadnie o 20°C.
Aby zapewnić stabilną pracę aplikacji, bezpieczniki pozwalają ustawić prędkość narastania prądu i napięcia wyjściowego podczas włączania zasilania (rys. 5). Inaczej podczas włączania duży prąd rozruchowy wynikający z konieczności przeładowania pojemności w urządzeniu mógłby aktywować bezpiecznik i spowodować niestabilne działanie. Zewnętrzny kondensator umożliwia ustawienie szybkości narastania napięcia i prądu, zapobiegając niepożądanemu wyłączeniu zasilania.
W razie potrzeby możliwe jest dodanie zewnętrznego N-kanałowego MOSFET-a mocy realizującego blokowanie prądu wstecznego (płynącego z wyjścia na wejście), diody TVS do ochrony przed wejściowymi stanami nieustalonymi oraz diody Schottky'ego chroniącej przed ujemnymi skokami napięcia na wyjściu (rys. 6). Blokowanie prądu wstecznego może być przydatne w zastosowaniach, takich jak jednostki komputerowe z dyskami hot-swap i ładowarki akumulatorów. Zewnętrzny MOSFET jest sterowany z pinu EFET.
Dodanie diody typu TVS jest potrzebne w systemach, w których występują stany nieustalone (skoki napięcia) na szynie zasilającej, których amplituda przekracza maksymalną wartość znamionową napięcia wejściowego eFuse. Jeśli w aplikacji na wyjściu eFuse może pojawić się ujemny potencjał, opcjonalna dioda dołączona równolegle do wyjścia może być zalecana. Toshiba zaleca użycie zewnętrznego tranzystora SSM6K513NU,LF, TVS DF2S23P2CTC,L3F i diody Schottky’ego CUHS20S30,H3F.
eFuse z wbudowanym MOSFET-em blokujący prąd wsteczny
Gdy rozmiar zajmowany przez układ ochronny ma znaczenie, warto sięgnąć po bezpieczniki elektroniczne z wbudowaną blokadą prądu wstecznego, np. TCKE712BNL, RF zawierający dwa MOSFET-y w połączeniu szeregowym (rys. 7). Łączna rezystancja ON obu tranzystorów to 53 mΩ, mniej więcej tyle samo, co uzyskuje się przy użyciu zewnętrznego blokującego MOSFET-a.
W porównaniu z wersjami dostosowanymi do stałego napięcia szyny zasilającej ten układ pracuje w zakresie 4,4–13,2 V. Ma wydzielony pin do ustalania poziomu ochrony OVP oraz pin FLAG typu otwarty dren sygnalizujący awarię.
Digi-Key Electronics,
https://www.digikey.pl/
