Sikrer kompakt, fleksibel og nøjagtig kredsløbsbeskyttelse, der opfylder IEC- og UL-sikkerhedsstandarderne

Enheds- og slutbrugerbeskyttelse mod potentielt skadelige spændings-, strøm- og temperaturforhold er nødvendig i applikationer som USB Type-C® AC-adaptere, netværksudstyr samt forbrugerelektronik og industriel elektronik. Brug af konventionelle sikringer eller termistorer med positiv temperaturkoefficient (PTC'er) kan give kompakte løsninger og en vis beskyttelse. Et stigende antal applikationer kræver imidlertid højere beskyttelsesniveauer og større fleksibilitet, herunder hurtigere responstider og programmerbar og nulstillelig overspændingsbeskyttelse (OVP), overstrømsbeskyttelse (OCP), underspændingslåsning (UVLO), overtemperaturbeskyttelse (OTP), blød start og/eller blokering af omvendt strøm (RCB). I tilfælde af USB Type-C AC-adaptere er det også nødvendigt at understøtte FRS (Fast Role Swapping), der overholder det tidskrav, der er defineret i USB PD-specifikationen.

Det er muligt at designe beskyttelseskredsløb til at implementere alle disse funktioner, men designprocessen tager tid. Hvis du opnår UL- eller IEC 62368-1 sikkerhedsgodkendelse, kan det også forlænge tiden til markedsføring yderligere. Desuden kan en løsning, der anvender diskrete komponenter, øge den samlede løsnings fodaftryk.

Designere kan hurtigt implementere kompakte og præcise beskyttelsesfunktioner, der opfylder UL- og IEC-sikkerhedsstandarderne, ved at anvende eFuse-regulatorer. Disse integrerede beskyttelses-IC'er har programmerbare beskyttelsestærskler for at understøtte designfleksibilitet, og beskyttelsen kan være fastlåst eller have automatisk genopretning, når fejlen fjernes. De har lav ON-modstand for at maksimere effektiviteten og omfatter blød start for at minimere input-strømmene. Nogle modeller omfatter certificeret FRS-funktion til brug i USB Type-C adaptere.

Denne artikel giver en introduktion til eFuse's, herunder spændings- og strømklassificering og repræsentative anvendelser. Derefter gennemgår vi det, hvordan beskyttelsesfunktioner, herunder OCP, soft-start, OVP, UVLO og OTP, er implementeret. Afslutningsvis præsenteres en række eFuse IC'er fra Littelfuse, der er optimeret til specifikke applikationer, sammen med overvejelser om systemintegration for at fremskynde markedsføringen.

eFuse-valgkriterier

eFuse-kravene til en given applikation er stærkt relateret til systemets driftsspænding og -strøm. Til lavspændings- og lavstrømssystemer med op til ca. 5 volt DC-input (V_DC) og 2 A strøm er funktioner som OCP, OTP, UVLO og undertrykkelse af indløbsstrøm (dV/dt) til hot-swap- og hot-plug events er normalt påkrævet. Til applikationer, der bruger mellem 2 og 6 A med input-spændinger på op til 24 V_DC, er der ofte behov for OVP-, strømbegrænsnings-/OCP- og "power good"-signaler. Strømtimere og monitorer til systemovervågning og OCP og RCB er almindelige i applikationer, der bruger 6 A og derover og spændinger på 24 V_DC og derover (figur 1).

Figur 1: eFuse-funktioner er stærkt korreleret med applikationens input-spænding (vandret akse) og input-strøm (lodret akse). (Billedkilde: Littelfuse)

Strømbeskyttelse og blød start

Overdreven strøm kan få elektroniske komponenter til at overskride deres nominelle driftstemperaturer, hvilket forringer ydeevnen og reducerer levetiden. Et strømbeskyttelseskredsløb overvåger I, og hvis den overstiger det indstillede "I-limit"-niveau, som ligger over den nominelle "Iout"-betjeningsstrøm, reguleres input-strømmen først på et fast niveau i flere µs og reduceres derefter automatisk til et sikkert niveau. Afhængigt af den anvendte eFuse kan I-limit være fast eller programmerbar. Når der opstår en overstrøm, reducerer eFuse input-strømmen i et bestemt tidsrum, normalt flere ms, og tænder derefter igen for at se, om fejlen er blevet fjernet.

Hvis fejlen stadig er der, regulerer og reducerer den automatisk strømmen igen, venter nogle ms og starter igen. Sekvensen med reduktion af strømmen og genstart, indtil fejlen er fjernet, kaldes undertiden for "hiccup-tilstand". I tilfælde af en kortslutning stiger input-strømmen meget hurtigt, og eFuse reducerer straks input-strømmen til et sikkert niveau (figur 2).

Figur 2: eFuses omfatter strømbegrænsning med automatisk genoptagelse for at beskytte mod for store belastningsstrømme og kortslutningsbeskyttelse. (Billedkilde: Littelfuse)

Softstart begrænser strømgennemstrømningen, når en enhed tændes. Uden soft-start er de eneste begrænsninger for strømmen de relativt lave impedanser i printkortets (pc-kort) spor og komponenterne. Høje indløbsstrømme kan beskadige strømforsyningskredsløbet eller komponenterne. Soft-start tænder langsomt eFuse, hvilket giver slew-rate kontrol og begrænser indløbsstrømmen (Figur 3). Den bløde starthastighed kan være fast eller programmerbar.

Figur 3: Blød start i en eFuse forhindrer potentielt skadelige indløbsstrømme og kan være fast eller programmerbar. (Billedkilde: Littelfuse)

UVLO og OVP

For meget eller for lidt spænding kan også føre til systemfejl og mulig skade. UVLO i en eFuse forhindrer enheden i at fungere, hvis input-spændingen er lavere end en forudindstillet tærskel. Hvis input-spændingen stiger for langsomt, eller hvis strømkilden har en betydelig intern modstand (f.eks. et batteri), kan spændingen desuden falde, når belastningsstrømmen stiger, hvilket får spændingen til gentagne gange at krydse UVLO-grænsen. Når det sker, kan UVLO-funktionen gå i svingning. Ved at bruge et UVLO-kredsløb med en hysterese (forsinkelse) på ca. 150 til 300 millivolt (mV) kan svingninger elimineres og UVLO-funktionen fungere gnidningsløst.

OVP beskytter enheden mod at blive belastet eller beskadiget af for høje spændinger. Når der registreres en overspændingstilstand, begrænser eFuse straks spændingen for at beskytte systemet og slukker derefter. Den aflader også udgangskondensatorerne til jord via en intern modstand. Når spændingen falder til en bestemt værdi, tændes eFuse automatisk (Figur 4). OVP-tærsklen kan være fast eller programmerbar.

Figur 4: Når input-spændingen når OVP-klampeværdien, forhindres den i at stige yderligere, og eFuse slukker for udgangen for at beskytte systemet. (Billedkilde: Littelfuse)

Termisk beskyttelse

Høje temperaturer kan også resultere i skader eller forkert funktion, så eFuses har en intern temperatursensor. OTP gennemføres typisk som en proces i to faser. Den første er den termiske reguleringstemperatur, normalt omkring 125 °C, hvor eFuse begrænser strømgennemstrømningen for at forsøge at stoppe temperaturstigningen. Hvis temperaturen fortsætter med at stige, og enhedens junction-temperatur overstiger TSHDN (termiske nedlukningstærskel), normalt omkring 140 °C, slukker eFuse for den. OTP omfatter også hysterese, og eFuse genstarter, når den interne temperatur falder 20 °C under TSHDN (figur 5).

Figur 5: OTP indeholder en hysterese, der genstarter eFuse, når temperaturen er faldet med et forudbestemt beløb. (Billedkilde: Littelfuse)

Kompakte 5-volt eFuses til batteridrevne enheder

Designere af Bluetooth-headset, wearables, tablet-pc'er og andre adapter-enheder enheder kan henvende sig til 5-volt, LS0505EVD22 i en DFN2X2_8L-pakke, som er 5 V klassificeret, 4 A klassificeret LS0504EVT233 i en‎ SOT23_3L pakke til kompakte løsninger, der giver OVP, OCP og blød start (figur 6). Den interne switchs 50 mΩ ON-modstand minimerer strømforbruget. OVP reagerer straks i tilfælde af for høj spænding og aflader udgangskondensatoren. Grænseværdien for strømgrænsen indstilles med en ekstern modstand, og OCP'en fungerer i hiccup-tilstand ved overstrøm eller kortslutninger. Den automatiske soft start-funktion giver en jævn spændingsopgang og begrænser startstrømmen til et sikkert niveau.

Figur 6: LS0504EVT233 eFuse er i en kompakt SOT23-pakning til brug i applikationer med begrænset plads. (Billedkilde: Littelfuse)

18 volt / 5 A eFuses

LS1205E-seriens eFuses har et driftsspændingsområde på 2,7 til 18 V_DC, en strømstyrke på 5 A og er velegnet til brug i harddiske, SSD'er og adapterdrevne enheder som bærbare computere og netværksenheder. Disse eFuses har en switch med en 25 mΩ ON-modstand og er i en 10-leddet DFN3×3-pakke. De omfatter programmerbar blød starttid, programmerbar tærskel for strømgrænse op til 5 A, kortslutningsbeskyttelse, UVLO og fold-back OTP. Der findes to modeller:

LS1205EV omfatter tre valgbare input-spændingsområder. Output-beskyttelsespændingen og UVLO-tærsklerne er baseret på det valgte input-spændingsområde.

LS1205EF indeholder en open drain-fejlindikatorfunktion, der signalerer forekomsten af UVLO-, OVP-, kortslutnings- og termiske nedlukningsfejl.

28-volt eFuse med RCB og FRS

Designere af bærbare computere og tabletcomputere, dockingstationer og netværksenheder, der har brug for Thunderbolt- eller USB Type-C PD-funktionalitet med RCB og FRS, kan henvende sig til LS2406ERQ23 28 volt, 6 A eFuse-regulator, der omfatter OCP, OVP, kortslutning, blød start og OTP (figur 7). Strømkontakten har en on-modstand på 24 mΩ for at minimere strømforbruget under normal drift, OCP-, OVP- og soft-start funktionerne er programmerbare, og OTP-funktionen omfatter automatisk genopretning, når enheden køler af. Denne eFuse har en altid tændt RCB-funktion uanset aktiveringssignalets (EN) logiske tilstand. FRS og de integrerede ind- og udgangsafladningsfunktioner opfylder USB PD-specifikationerne.

LS2406ERQ23 leveres i en lav profil, 16-leder QFN-pakke.

Figur 7: Typisk anvendelse af LS2406ERQ23 eFuse, der understøtter blokering af omvendt strøm og FRS for USB Type-C PD-applikationer. (Billedkilde: Littelfuse)

Retningslinjer for layout af tavler

For LS1205E-serien samt LS0505EVD22 og LS0504EVT233 er der her nogle generelle overvejelser om kortlayout, der kan hjælpe med at sikre en vellykket implementering:

• Der skal placeres en 0,1 µF eller større keramisk afkoblingskondensator mellem IN-terminalen og jord (GND) og mellem OUT-terminalen og GND. Når induktansen i input-strømvejen er ubetydelig, f.eks. i hot-plug applikationer, er denne kondensator måske ikke nødvendig.
• Afkoblingskondensatorer skal placeres så tæt som muligt på IN-, OUT- og GND-terminalerne, og det loop-område, der dannes af forbindelserne, skal minimeres.
• Strømledninger med høj strømstyrke skal være dimensioneret til at kunne bære mindst det dobbelte af den maksimale forventede strøm og skal være så korte som muligt.
• GND-terminalen på eFuse skal være forbundet direkte til printkortets jordplan. Printkortets jordplade skal være en ø eller en kobberplade.

Kun til LS1205E-serien: Placer alle støttekomponenter som R_ILIM, kondensator SS (CSS) og modstande til EN så tæt som muligt på den tilsvarende forbindelsespind, og brug den kortest mulige sporlængde til at forbinde den anden side af komponenten til GND. Ledningerne skal placeres således, at man ungør kobling til eventuelle koblingssignaler på printkortet, og længden af ledningerne til R_ILIM og CSS-komponenterne skal være så korte som muligt for at minimere virkningen af parasitære elementer på indstillingen af strømbegrænsningen og soft-start tidspunktet.

For LS2406ERQ23 henvises til databladet for at få oplysninger om layoutovervejelser vedrørende kortslutningsbeskyttelse af USB Type-C kabel og FRS-komponenter.

Konklusion

For at beskytte både brugere og enheder og for at opfylde gældende standarder kan designere anvende eFuse-regulatorer med integreret beskyttelse, der tilbyder en række forskellige funktioner, herunder OVP, OCP, ULVO, OTP og blokering af omvendt strøm. Med programmerbare beskyttelsestærskler og nulstillingsmuligheder understøtter eFuses designfleksibilitet, samtidig med at de har lav ON-modstandskontakter for at maksimere effektiviteten og omfatter blød start for at minimere indløbsstrømmene. Nogle modeller omfatter certificeret FRS og RCB til brug i USB Type-C AC-adaptere.

Anbefalet læsning

1. Sådan designes beskyttelseskredsløb, der er kompatible med den nye AV/ICT-standard IEC 62368-1