TME-FLUKE-get-gift-2024-Apr16-Apr30_MEweb

Samsung-Passive-MLCC-2024-Apr7-May7-MEweb

DigiKey-Amphenol-Max-M12-Conn-2024-Apr-MEweb

Arrow-ADI-Increase the Efficiency-18-April-2024

Kompakt védelem tervezése eFuse technológiával

Megjelent: 2021. november 24.

Rövidzárlat, túlfeszültség és túlmelegedés ellen

Az otthoni, irodai és ipari elektronikai eszközök elterjedésével egyre fontosabbá válik a kompakt, olcsó, nagy sebességű, visszaállítható és szabályozható áramköri védelem a felhasználók biztonsága és az eszközök maximális üzemidejének biztosítása érdekében. A hagyományos biztosítékokra épülő megoldások gyengéi a pontatlan kikapcsolási áramok és a lassú válaszidők, és jellemző rájuk, hogy tönkremenetel esetén a biztosíték körülményes cseréjére van szükség.

Bár akár nulláról indulva is meg lehet tervezni egy megfelelő védelmi megoldást, egy visszaállítható eszköz esetén nem könnyű eleget tenni az igényes késleltetési és pontossági követelményeknek. Ezenkívül ugyanettől a megoldástól már elvárt, hogy állítható túláramvédelemmel, a bekapcsolási túláram jelváltozási sebeségének (slew rate) szabályozhatóságával, túlfeszültség-korlátozó képeséggel, ellenáram-blokkolással és hővédelemmel is rendelkezzen. Egy ilyen kialakításhoz számos diszkrét alkatrészre és több IC-re van szükség, amelyek együttesen jelentős területet foglalnak el a nyomtatott áramköri lapon, növelik a költségeket és késleltetik a piacra kerülést. A nehézségeket növelik a magas szintű megbízhatósági követelmények és az olyan nemzetközi biztonsági szabványoknak való megfelelés szükségessége, mint az IEC/UL62368-1 és az UL2367.
E követelmények kielégítésére a tervezők inkább az elektronikus biztosítékokat (eFuse) tartalmazó IC-khez fordulhatnak, amelyek nanoszekundumos (ns) rövidzárlat-védelmet biztosítanak, ami körülbelül egymilliószor gyorsabb, mint amire a hagyományos biztosítékok vagy a PPTC-eszközök képesek.
Ez a cikk leírja, hogy miért van szükség gyorsabb, robusztusabb, kompaktabb, megbízhatóbb és költséghatékonyabb áramköri védelemre, mielőtt bemutatná az eFuse biztosítékokat és azok működését. Ezután bemutat több eFuse opciót a Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation vállalattól, és leírja, hogyan segítenek azok kielégíteni a tervezők költséghatékony, kompakt és robusztus védelem iránti igényeit.

Áramkörvédelmi követelmények

Az elektronikus rendszerek védelmét tekintve a túláram, a rövidzárlat, a túlterhelés és a túlfeszültség elleni védelem az alapvető áramköri védelmi követelmények közé tartoznak. Túláram esetén egy vezetőn túlzott áram folyik keresztül. Ez nagymértékű hőtermeléshez és tűzhöz vagy a berendezés károsodásához vezethet. A túláramos állapotokat okozhatják rövidzárlatok, túlterhelések, tervezési hibák, alkatrészhibák, valamint ív- vagy földzárlatok. Az áramkörök és az eszközfelhasználók védelme érdekében a túláramvédelemnek azonnal működésbe kell lépnie.
Túlterhelt állapotról akkor beszélünk, amikor a túláram nem jelent azonnali veszélyt, de a hosszú távú következmények ugyanolyan veszélyesek lehetnek, mint egy nagy túláram esetén fellépő állapot. A túlterhelés elleni védelem a túlterheltségi fokozatoktól függően különböző időkésleltetésekkel valósul meg. A túlterhelési állapot növekedésével a késleltetés csökken. A túlterhelés elleni védelem késleltetett kioldású vagy más néven lomha biztosítékokkal valósítható meg.
Túlfeszültségi állapotok miatt a rendszer működése instabillá válhat, valamint ez túlzott hőtermeléshez és fokozott tűzveszélyhez vezethet. A túlfeszültségek közvetlen veszélyt jelenthetnek a rendszer felhasználóira vagy üzemeltetőire is. A túláramnál tárgyaltakhoz hasonlóan a túlfeszültség-védelemnek is gyorsan működésbe kell lépnie a feszültségforrás lekapcsolásához.
A biztonságos és stabil működés érdekében egyes alkalmazásoknál az alapfunkciókon túl további védelmi funkciók jelenléte is előnyös lehet, beleértve a túlfeszültség és túláram elleni védelem állíthatóságát, a bekapcsolási túláram szabályozását, a túlmelegedés elleni védelmet és az ellenáram blokkolását. A különböző áramkörvédelmi eszközök ezen áramkörvédelmi szükségletek különböző kombinációit képesek kielégíteni.

Az eFuse technológia működése

Az eFuse IC-k a hagyományos biztosítékokhoz és PPTC eszközökhöz képest szélesebb körű védelmi funkciókat és magasabb szintű szabályozhatóságot biztosítanak (1. ábra). A nagysebességű rövidzárlat-védelem mellett az eFuses biztosítékok precíz túlfeszültség-korlátozást, állítható túláramvédelmet, állítható feszültséget és szabályozott slew rate értéket biztosítanak a túláramok és a termikus leállás minimalizálása érdekében. A változatok beépített formában tartalmazzák az ellenáram blokkolását is.

1. ábra Egy eFuse a hagyományos biztosítékok vagy PPTC eszközök
helyett alkalmazható, és további védelmi funkciókat és magasabb szintű szabályozhatóságot biztosít (Kép: Toshiba)

Az eFuse működésének egyik kulcsa a belső teljesítmény-MOSFET, amelynek „ON” ellenállása jellemzően mΩ nagyságrendű, és amely nagy kimeneti áramok kezelésére képes (2. ábra). Normál működés közben a teljesítmény-MOSFET nagyon alacsony bekapcsolási ellenállásának köszönhetően a VOUT érintkezőn mért feszültség majdnem azonos a VIN-en mért feszültséggel. Rövidzárlat észlelésekor a MOSFET nagyon gyorsan kikapcsol, és amikor a rendszer visszatér a normál állapotba, a MOSFET a túláramok szabályozására szolgál.

2. ábra Egy alacsony bekapcsolási ellenállású teljesítmény-MOSFET
(középen fent) kulcsfontosságú ahhoz, hogy az eFuse biztosítékok gyors működése és ellenőrzött indítási képességei biztosíthatók legyenek
(Kép: Toshiba)

A teljesítmény-MOSFET mellett az eFuse-ok aktív jellege is hozzájárul számos működésbeli előnyükhöz (1. táblázat). A hagyományos biztosítékok és a PPTC-k passzív eszközök, amelyek pontossága alacsony a kioldási áram tekintetében. Működésük Joule-hőfejlődésen alapul, amelynek kialakulásához időre van szükség, és ez megnöveli a reakcióidejüket. Az eFuse ezzel szemben folyamatosan figyeli az áramot, és amint az eléri a beállítható áramhatárérték 1,6-szorosát, a rövidzárlat-védelem beindul. Az eFuse-ok ultragyors rövidzárlat-védelmi módszere az aktiválódás után mindössze 150-320 ns alatt nullához közeli értékre csökkenti az áramot, szemben a biztosítékok és a PPTC-k 1 másodperces vagy annál hosszabb reakcióidejével. Ez a gyors reakcióidő csökkenti azt az igénybevételt, amelynek a rendszer ki van téve, növelve a robusztusságot. Mivel egy eFuse biztosíték nem megy tönkre rövidzárlat esetén, így többször is használható.

1. táblázat Az eFuse IC-k gyorsabb védelmi sebességet, nagyobb pontosságot
és a védelmi funkciók teljesebb körét nyújtják a biztosítékokkal és a PPTC (polimeralapú kapcsoló) eszközökkel összehasonlítva (Táblázat: Toshiba)

A hagyományos, egyszer használatos biztosítékokkal összehasonlítva az eFuse-ok hozzájárulnak a karbantartási költségek csökkentéséhez, valamint a helyreállítási és javítási idő csökkenéséhez. Az eFuse-ok hiba után két módon képesek helyreállni: automatikus helyreállással – ami visszatérés a normál működési állapotba, amint a hibaállapot megszűnik – és reteszelt védelemmel – amely külső jelre helyreáll a hiba megszüntetése után. Az eFuse biztosítékokkal a túlfeszültség és a túlmelegedés elleni védelem is biztosított, ami a hagyományos biztosítékokkal vagy PPTC-kkel nem lehetséges.

Az eFuse biztosítékok kiválasztása

A megfelelő eFuse kiválasztása jellemzően az alkalmazás tápsínjeivel kezdődik. Az 5-12 voltos tápsínek esetében a TCKE8xx sorozatú eFuse-ok jó választásnak bizonyulnak. Ezeket legfeljebb 18 V bemeneti feszültségig és 5 A-ig tervezték, IEC 62368-1 tanúsítvánnyal rendelkeznek, megfelelnek az UL2367 követelményeinek, és egy 3,0 mm × 3,0 mm × 0,7 mm méretű, 0,5 mm-es érintkezőtávolságú WSON10B tokozásban kaphatók (3. ábra).

3. ábra A Toshiba eFuse-ok egy 3 mm × 3 mm-es, 0,7 mm magas WSON10B felületszerelt tokozásban (Kép: Toshiba)

A TCKE8xx sorozat rugalmasságot kínál a tervezők számára, beleértve a külső ellenállással beállítható túláram-határértéket, a külső kondenzátorral beállítható felfutási sebességet, a túlfeszültség és feszültséghiány elleni védelmet, a termikus leállást és egy vezérlőérintkezőt egy opcionális, az ellenáramot blokkoló külső FET számára.
A tervezők három különböző túlfeszültség-korlátozási szint közül is választhatnak: 6,04 V az 5 V-os rendszerekhez (például a TCKE805NL,RF); 15,1 V a 12 V-os rendszerekhez (beleértve a TCKE812NL,RF-t), illetve korlátozás nélküli modellt (például a TCKE800NL,RF) (4. ábra). A túlfeszültség-védelem modelltől függően automatikus újrakezdés és korlátozás formájában áll rendelkezésre, a korlátozási szintek pedig 7%-os pontossággal állíthatók be. A feszültséghiány esetén történő lekapcsolás egy külső ellenállással programozható. A termikus leállás az eFuse kikapcsolásával megvédi az IC-t a túlmelegedéstől, ha annak hőmérséklete meghaladja a 160 Celsius fokot. Az automatikusan helyreálló hővédelemmel rendelkező modellek újraindulnak, ha a hőmérséklet 20 °C-kal csökken.

4. ábra A TCKE8xx sorozatú eFuses biztosítékok 6,04 voltos korlátozási feszültséggel kaphatók 5 V-os rendszerekhez (TCKE805), 15,1 voltos korlátozó feszültséggel 12 V-os rendszerekhez (TCKE812), illetve korlátozó feszültség nélkül (TCKE800) (Kép: Toshiba)

A stabil működés biztosítása érdekében ezek az eFuse biztosítékok tartalmazzák azt a lehetőséget, hogy a tervezők beállíthassák az áram és a feszültség meredekségét indításkor (5. ábra). Bekapcsoláskor nagy indítóáram áramolhat a kimeneti kondenzátorba és kioldhatja az eFuse-t, ami instabil működéshez vezethet. Egy külső kondenzátor az eFuse dV/dT érintkezőjén állítja be az indítási feszültség és az áram meredekségét, megakadályozva a hibás kioldásokat.

5. ábra Az eFuse stabil működésének biztosítása érdekében a tervezők beállíthatják az indítási feszültség és áram meredekségét (Kép: Toshiba)

Az alkalmazási követelményektől függően a tervezők hozzáadhatnak egy külső N-csatornás teljesítmény-MOSFET-et az ellenáram blokkolásához, egy tranziensfeszültség-elnyomó (TVS) diódát a bemeneti tranziens feszültségek elleni védelemhez, valamint egy Schottky barrier diódát (SBD) a negatív feszültségcsúcsok elleni védelemhez az eFuse kimenetén (6. ábra). Az ellenáram blokkolása hasznos lehet olyan alkalmazásokban, mint a működés közben cserélhető (hot-swap) merevlemezek és akkumulátortöltők. A külső MOSFET-et az EFET láb vezérli.

DigiKey 6

6. ábra A TCKE8xx sorozatú eFuse biztosítékok tipikus alkalmazása, amely mutatja az opcionális TVS-t a bemeneti tranziens feszültségek elleni védelemhez, az SBD-t a kimeneti érintkezőn jelentkező negatív feszültségcsúcsok elleni védelemhez, valamint egy külső MOSFET-et az ellenáram blokkolásához
(Kép: Toshiba)

TVS-dióda beépítésére olyan rendszereknél van szükség, amelyekben a tápsínen az eFuse maximális névleges értékét meghaladó tranziens feszültségek lépnek fel. Bizonyos alkalmazásokban negatív feszültségcsúcs jelenhet meg az eFuse kimenetén, és az opcionális SBD védi az IC-ket és más eszközöket a terhelés oldalán, valamint az eFuse-t is. A Toshiba az SSM6K513NU,LF-t ajánlja külső MOSFET-ként, a DF2S23P2CTC,L3F-t TVS-diódaként, és a CUHS20S30,H3F-t SBD-ként.

eFuse beépített ellenáramot blokkoló MOSFET-tel

A lehető legkisebb méreteket és az ellenáram blokkolását igénylő alkalmazásokhoz a tervezők a TCKE712BNL,RF eFuse-t használhatják, amely két belső MOSFET-et tartalmaz (7. ábra). A második belső MOSFET-tel együtt semmilyen mértékben sem társul működésbeli hátrány. A két MOSFET együttes bekapcsolási ellenállása mindössze 53 mΩ, ami nagyjából ugyanannyi, mintha egy külső blokkoló MOSFET-et használnánk.

7. ábra A TCKE712BNL,RF eFuse két MOSFET-et tartalmaz (középen fent),
hogy külső MOSFET nélkül is lehetővé tegye az ellenáram blokkolását
(Kép: Toshiba)