Sådan bruges eFuses til at designe kompakte kortslutnings-, overspændings- og termiske beskyttelsesløsninger

Med elektroniske enheders udbredelse i hjemmet, på kontoret og i industrien, er behovet for kredsløbsbeskyttelse, der er kompakte, billige, har høj hastighed, er nulstillelige og justerbare, stadig vigtigere for at sikre brugersikkerhed og maksimal oppetid for enheden. Konventionelle sikringsmetoder lider under upræcise brydningsstrømme og langsomme responstider og er typisk behæftet med ulejligheden ved at skulle udskifte sikringen.

Selv om det er muligt at designe en passende beskyttelsesløsning fra bunden, er det ikke let at opnå de krævende anbefalinger for latenstid og præcision i en genindstillelig enhed. Derudover forventes den samme løsning nu også at have justerbar overstrømsbeskyttelse, justerbar startstrøm slew-rate, overspændingsdæmpning, blokering af omvendt strøm og termisk beskyttelse. Et sådant design kræver mange diskrete komponenter og flere IC'er, der tilsammen optager et betydeligt område på printkortet, øger omkostningerne og forsinker tiden til markedet. Behovet for høj pålidelighed og kravet om at opfylde internationale sikkerhedsstandarder som IEC/UL62368-1 og UL2367 gør det endnu sværere.

For at imødekomme disse krav kan designere i stedet anvende elektroniske sikrings-IC'er (eFuse) til at levere kortslutningsbeskyttelse på nanosekunder (ns), hvilket er omkring en million gange hurtigere end konventionelle sikringer eller PPTC-enheder.

Denne artikel beskriver, hvorfor der er behov for hurtigere, mere robust, kompakt, pålidelig og mere omkostningseffektiv kredsløbsbeskyttelse, før vi introducerer eFuses, og hvordan de fungerer. Derefter introduceres flere eFuse-muligheder fra Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation, og det vises, hvordan de understøtter designernes behov for omkostningseffektiv, kompakt og robust beskyttelse.

Behov for kredsløbsbeskyttelse

Overstrøm, kortslutning, overbelastning og overspænding er nogle af de grundlæggende behov for kredsløbsbeskyttelse i elektroniske systemer. Under en overstrømstilstand løber der en for høj strøm gennem en leder. Det kan føre til høj varmeudvikling og risiko for brand eller beskadigelse af udstyret. Overstrømsforhold kan skyldes kortslutninger, for store belastninger, konstruktionsfejl, komponentfejl og lysbue- eller jordfejl. For at beskytte kredsløb og brugere af enheder skal overstrømsbeskyttelse fungere øjeblikkeligt.

Der findes overbelastningstilstande, hvor den høje strøm ikke umiddelbart er farlig, men de langsigtede konsekvenser kan være lige så usikre som en høj overstrømstilstand. Overbelastningsbeskyttelse er implementeret med forskellige tidsforsinkelser baseret på overbelastningsniveauet. Når overbelastningstilstanden stiger, falder forsinkelsen. Overbelastningsbeskyttelse kan implementeres med tidsforsinkede eller træge sikringer.

Overspændingsforhold kan resultere i ustabil systemdrift og kan også føre til udvikling af overdreven varme og øget risiko for brand. Overspændinger kan også udgøre en umiddelbar fare for systemets brugere eller operatører. Ligesom med overstrøm skal overspændingsbeskyttelse fungere hurtigt for at afbryde kilden.

Nogle applikationer har gavn af yderligere beskyttelsesfunktioner ud over det grundlæggende for at give sikker og stabil drift, herunder justerbare niveauer af overspændings- og overstrømsbeskyttelse, kontrol af opstartsstrøm, termisk beskyttelse og blokering af omvendt strøm. Forskellige kredsløbsbeskyttelsesenheder kan opfylde forskellige kombinationer af disse behov for kredsløbsbeskyttelse.

Sådan fungerer eFuses

eFuse IC'er giver mere omfattende beskyttelsesfunktioner og højere kontrolniveauer sammenlignet med konventionelle sikringer og PPTC-enheder (figur 1). Ud over højhastigheds-kortslutningsbeskyttelse giver eFuses præcis overspændingsdæmpning, justerbar overstrømsbeskyttelse, justerbar spænding og strømhastighedskontrol for at minimere indkoblingsstrømme og termisk nedlukning. Versionerne har også indbygget blokering af omvendt strøm.

Figur 1: En eFuse kan erstatte konventionelle sikringer eller PPTC-enheder og give yderligere beskyttelsesfunktioner og højere kontrolniveauer. (Billedkilde: Toshiba)

En af nøglerne til eFuses ydeevne er den interne effekt-MOSFET med en "ON"-modstand, der typisk ligger i milliohmsområdet (mΩ), og som kan håndtere høje udgangsstrømme (figur 2). Under normal drift sikrer effekt-MOSFET'ens meget lave ON-modstand, at spændingen ved VOUT er næsten identisk med spændingen ved VIN. Når der registreres en kortslutning, slukker MOSFET'en meget hurtigt, og når systemet vender tilbage til normal tilstand, bruges MOSFET'en til at styre indkoblingsstrømmen.

Figur 2: En effekt-MOSFET med lav ON-modstand (øverst i midten) er nøglen til eFuses' hurtige virkning og kontrollerede opstart. (Billedkilde: Toshiba)

Ud over effekt-MOSFET'en bidrager eFuses' aktive natur til deres mange præstationsfordele (tabel 1). Konventionelle sikringer og PPTC'er er passive enheder med en lav nøjagtighed i forhold til udløsningsstrømmen. De er afhængige af Joule-opvarmning, som det tager tid at udvikle, hvilket øger deres reaktionstid. En eFuse overvåger derimod konstant strømmen, og når den når 1,6 gange det justerbare strømgrænseniveau, aktiveres kortslutningsbeskyttelsen. Når den ultrahurtige kortslutningsbeskyttelsesteknik i eFuses er startet, reducerer den strømmen til næsten nul på kun 150 til 320 ns sammenlignet med reaktionstiden på 1 sekund eller længere for sikringer og PPTC'er. Denne hurtige reaktionstid reducerer systemets belastning og øger robustheden. Da en eFuse ikke ødelægges af en kortslutning, kan den bruges flere gange.

Tabel 1: eFuse IC'er giver hurtigere beskyttelseshastighed, højere præcision og en mere komplet pakke af beskyttelsesfunktioner sammenlignet med sikringer og PPTC-enheder (poly switch). (Tabelkilde: Toshiba)

Sammenlignet med konventionelle sikringer, som er engangsenheder, bidrager eFuses til reducerede vedligeholdelsesomkostninger og mindre genopretnings- og reparationstid. Der findes to typer gendannelse fra fejltilstande med eFuses: Automatisk gendannelse vender tilbage til normal drift, når fejltilstanden er fjernet, og; låst-beskyttelse, der gendannes, når der tilføres et eksternt signal, efter at fejlen er elimineret. Overspænding og termisk beskyttelse leveres også med eFuses, men er ikke muligt med konventionelle sikringer eller PPTC'er.

Udvælgelse af eFuses

Valget af den rette eFuse starter typisk med applikationens strømskinner. Til 5 til 12 volt strømskinner er TCKE8xx-serien af eFuses en god mulighed. De er klassificeret til op til 18 volt input og 5 ampere (A), er IEC 62368-1-certificeret og leveres i en WSON10B-pakke, der måler 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 mm i højden med en benafstand på 0,5 mm (figur 3).

Figur 3: Toshiba eFuses er pakket i en 3 mm x 3 mm, 0,7 mm høj WSON10B overflademonteret pakke. (Billedkilde: Toshiba)

TCKE8xx-serien giver designerne fleksibilitet, herunder en justerbar overstrømsgrænse indstillet af en ekstern modstand, en justerbar slew-rate-kontrol indstillet af en ekstern kondensator, overspændings- og underspændingsbeskyttelse, termisk nedlukning og et kontrolben til en valgfri ekstern FET til blokering af omvendt strøm.

Designerne kan også vælge mellem tre forskellige overspændingsdæmpningsniveauer: 6,04 volt til 5 volt-systemer (for eksempel TCKE805NL,RF), 15,1 volt til 12 volt-systemer (inklusive TCKE812NL,RF) og uden dæmpning (for eksempel TCKE800NL,RF) (figur 4). Overspændingsbeskyttelse er tilgængelig som auto-retry og dæmpning, afhængigt af modellen, og dæmpningssniveauer indstilles med en præcision på 7 %. Underspændingslåsen kan programmeres ved hjælp af en ekstern modstand. Termisk nedlukning beskytter IC'en mod overtemperatur ved at slukke for eFuse, når dens temperatur overstiger 160 grader Celsius (°C). Modeller med automatisk varmebeskyttelse genstarter, når temperaturen falder med 20 °C.

Figur 4: TCKE8xx-seriens eFuses fås med dæmpningsspændinger på 6,04 volt til 5 volt-systemer (TCKE805), 15,1 volt til 12 volt-systemer (TCKE812) og uden dæmpningsspændinger (TCKE800). (Billedkilde: Toshiba)

For at sikre stabil drift har disse eFuses mulighed for, at designerne kan indstille strøm- og spændingsrampen ved opstart (figur 5). Når der tændes for strømmen, kan der løbe en stor indkoblingsstrøm ind i udgangskondensatoren og udløse eFuse, hvilket resulterer i ustabil drift. En ekstern kondensator på dV/dT-benet på eFuse indstiller opstartsrampen for spænding og strøm, så man undgår uønskede udløsninger.

Figur 5: Designere kan indstille opstartsrampen for spænding og strøm for at sikre en stabil drift af eFuse. (Billedkilde: Toshiba)

Afhængigt af applikationskravene kan designerne tilføje en ekstern N-kanals effekt-MOSFET til blokering af omvendt strøm, en TVS-diode (transient voltage suppression) til beskyttelse mod transiente indgangsspændinger og en Schottky-barrierediode (SBD) til beskyttelse mod negative spændingsspidser på eFuse's udgang (figur 6). Blokering af omvendt strøm kan være nyttig i applikationer som f.eks. hot-swap-diskdrev og batteriopladere. Den eksterne MOSFET styres af EFET-benet.

Tilføjelsen af en TVS-diode er nødvendig i systemer, der oplever transiente spændinger på strømforsyningen, som overskrider eFuse'ens maksimale rating. I nogle applikationer kan der forekomme en negativ spændingsspids på eFuse-udgangen, og den valgfri SBD beskytter IC'er og andre enheder på belastningssiden såvel som eFuse. Toshiba anbefaler SSM6K513NU,LF som ekstern MOSFET, DF2S23P2CTC,L3F som TVS-diode og CUHS20S30,H3F som SBD.

Figur 6: Typisk applikation for eFuses i TCKE8xx-serien, der viser den valgfri TVS til beskyttelse mod transient spænding på indgangen, SBD til beskyttelse mod negative spændingsspidser på udgangsbenet og en ekstern MOSFET til blokering af omvendt strøm. (Billedkilde: Toshiba)

eFuse med indbygget blokering af omvendt strøm MOSFET

Til applikationer, der kræver den mindst mulige løsning og blokering af omvendt strøm, kan designere anvende TCKE712BNL,RF eFuse, der indeholder to interne MOSFET'er (figur 7). Den anden interne MOSFET har ingen negative konsekvenser for ydeevnen; den kombinerede ON-modstand for begge MOSFET'er er kun 53 mΩ, hvilket er omtrent det samme som ved brug af en ekstern blokerende MOSFET.

Figur 7: TCKE712BNL,RF eFuse indeholder to MOSFET'er (øverst i midten) for at muliggøre blokering af omvendt strøm uden behov for en ekstern MOSFET. (Billedkilde: Toshiba)

Sammenlignet med de faste spændingsdesigns i TCKE8xx-serien har TCKE712BNL,RF et indgangsspændingsområde fra 4,4 til 13,2 volt. For at understøtte dette udvalg af mulige indgangsspændinger har den et OVP-ben (overvoltage protection), der gør det muligt for designere at indstille overspændingsbeskyttelsesniveauet til at imødekomme specifikke systembehov. Derudover har TCKE712BNL et ekstra FLAG-ben, der giver et åbent drain-signaloutput, der indikerer tilstedeværelsen af en fejltilstand.

Konklusion

Det er afgørende at sikre kredsløbs- og brugerbeskyttelse i elektroniske systemer, især når enhederne bliver flere og flere, og risikoen for fejl stiger. Samtidig skal designerne holde omkostningerne og fodaftrykket på et minimum, samtidig med at de opnår maksimal beskyttelsesfleksibilitet og opfylder passende beskyttelsesstandarder.

Med ultrahurtig drift, præcision, pålidelighed og genanvendelighed giver eFuses ikke kun designere et højtydende, fleksibelt alternativ til konventionelle sikringer og PPTC-enheder, men de kommer også med en lang række indbyggede funktioner, der i høj grad forenkler opgaven med at designe kredsløb og brugerbeskyttelse.

Anbefalet læsning

1. Sådan vælger og anvender du intelligente teknologier til strømmåling og -overvågning (i stedet for sikringer)
2. Sådan designes beskyttelseskredsløb, der er kompatible med den nye AV/ICT-standard IEC 62368-1‎