Hvorfor og hvordan man effektivt bruger elektroniske sikringer til at beskytte følsomme kredsløb

Termiske sikringer er blevet brugt med succes i over 150 år som en grundlæggende kredsløbsbeskyttelse. De er effektive, pålidelige, nemme at bruge og kommer i en række værdier og variationer for at opfylde forskellige designmål. De har imidlertid uundgåelige mangler for designere, der søger ekstremt hurtig cutoff, evnen til at nulstille sig selv samt evnen til at fungere ved relativt lave strømværdier. For disse designere er elektroniske sikringer, ofte skrevet som eFuse eller e-Fuse, en glimrende løsning, som undertiden erstatter men ellers normalt supplerer den termiske sikring.

eFuses er baseret på et simpelt koncept med strømregistrering ved at måle spænding over en kendt modstand og derefter slukke for strømmen via en felt-effekt transistor (FET), når den overstiger en designgrænse. eFusen tilbyder funktioner fleksibilitet og egenskaber, som en termisk sikring ikke kan levere.

Denne artikel beskriver, hvordan eFuses fungerer. Derefter udforskes funktionerne, yderligere funktionalitet og effektiv brug af disse aktive kredsløbssikringer. Eksempler på løsninger fra Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage og STMicroelectronics vil blive introduceret og deres effektive anvendelse beskrevet.

Hvordan fungerer eFuses?

Funktionsprincippet for en konventionel termisk sikring er enkel, velkendt og pålidelig: Når strømmen, der passerer gennem det smeltbare led, overstiger dens designværdi, varmes dette element op tilstrækkeligt til at smelte. Dette bryder den aktuelle sti, og strømmen bliver nul. Afhængig af sikringsklassificering og type samt mængden af overstrøm kan en termisk sikring reagere og åbne den aktuelle vej i nogle få hundrede millisekunder til flere sekunder. Som med alle aktive og passive komponenter er der selvfølgelig mange variationer, finesser og skygger for drift til rådighed for denne helt passive enhed, der i princippet er enkel.

I modsætning hertil fungerer elektroniske sikringer på et helt andet princip. De giver noget af den samme funktionalitet, men tilføjer også nye forskellige funktioner og egenskaber. Det grundlæggende eFuse-koncept er også ligetil: Strømmen til belastningen går gennem en FET og en sensormodstand og overvåges via spændingen over sensormodstanden. Når den overstiger en forudindstillet værdi, slukker kontrollogikken FET og cutoff strømmen (figur 1). FET, der er i serie med forsyningslinjen og belastningen, skal have meget lav modstand, så den ikke inducerer overdreven strømmodstand (IR) fald eller spildt strøm.

Figur 1: I en eFuse, da strøm fra forsyning til belastning passerer gennem en sensormodstand, overvåges den via spændingen over den modstand; når den overstiger en indstillet værdi, slukker kontrollogikken FET, hvilket blokerer strømmen til strømmen. (Billedkilde: Texas Instruments)

Det kan synes, at en eFuse simpelthen er en mere kompliceret, aktiv version af den klassiske, passive termiske sikring. Selvom det er sandt, tilbyder eFuse også nogle unikke attributter:

Hastighed: De er hurtigtvirkende enheder med cutoff-reaktionstider i størrelsesordenen mikrosekunder, hvoraf nogle er designet til at give response på nanosekunder. Dette er vigtigt for nutidens kredsløb med relativt følsomme IC'er og passive komponenter.

Drift med lav strøm: Ikke kun kan eFuses konstrueres til at arbejde ved lave strømme (størrelsesordenen 100 milliamper (mA) eller mindre), men de fungerer også godt ved lave, encifrede spændinger. På disse niveauer kan termiske sikringer ofte ikke forsynes med tilstrækkelig selvopvarmningsstrøm til at inducere smeltning af deres smeltbare led.

Kan nulstilles: Afhængigt af den specifikke model tilbyder eFuse valget mellem at forblive slukket, efter at den er aktiveret (kaldet latch-off mode) eller at genoptage normal drift, hvis den aktuelle fejl forsvinder (auto-retry-tilstand). Sidstnævnte indstilling er især nyttig i forbigående startstrømssituationer, hvor der ikke er nogen "hård" fejl, som f.eks. når et kort er tilsluttet en strømforsynet bus. Det er også nyttigt, hvor udskiftning af sikringen ville være vanskelig eller dyr.

Omvendt strømbeskyttelse: En eFuse kan også yde modstrømsbeskyttelse, hvilket en termisk sikring ikke kan. Omvendte strømme kan forekomme, når spændingen ved systemudgangen er højere end ved dens indgang. Dette kan f.eks. ske med et sæt redundante strømforsyninger parallelt.

Overspændingsbeskyttelse: Med nogle ekstra kredsløb kan eFuse også yde overspændingsbeskyttelse mod overspændinger eller induktive spark, slukke for FET, når indgangsspændingen overstiger det indstillede overspændingsudløbspunkt, og forblive i OFF-tilstand, så længe denne overspændingstilstand vedvarer.

Beskyttelse mod omvendt polaritet: eFuse kan også yde beskyttelse mod omvendt polaritet og hurtigt afbryde strømmen, hvis kilden er omvendt tilsluttet. Et eksempel er et bilbatteri, der er tilsluttet omvendt i et kort øjeblik på grund af utilsigtet kabelkontakt.

Slew-rate ramping: Nogle avancerede eFuses kan også levere defineret power-down/power-up current slew rate ramping ved at styre on/off-overgangen for passelementet FET via en ekstern kontrol eller ved hjælp af faste komponenter.

Af disse grunde er eFuses en attraktiv løsning til flowkontrol af strøm. Mens de i nogle tilfælde kan bruges i stedet for termiske sikringer, parres de to ofte. I et sådant arrangement bruges eFuse til lokaliseret, hurtig reaktionsbeskyttelse til et sub-kredsløb eller pc-kort, såsom i hot-swap (hot plug) -systemer, applikationer til biler, programmerbare logiske controllere (PLC'er) og styring af batteriopladning/afladning og den supplerende termiske sikring giver systembeskyttelse mod store, grove fejl, hvor der er behov for en hård og permanent afbrydelse.

På denne måde får designeren det bedste fra begge verdener med alle funktionerne i eFuses plus den klare, utvetydige drift af den termiske sikring. Dette opnås uden tekniske kompromiser eller ulemper. Der er selvfølgelig nogle kompromiser som med enhver designbeslutning. I dette tilfælde er det en stigende stigning i fast ejendom og en lidt større stykliste (BOM).

Valg af eFuse: Funktioner og applikationer

Når du vælger en eFuse, er der nogle grundlæggende parametre, der skal overvejes. Den overordnede overvejelse er ikke overraskende det nuværende niveau, hvor sikringen fungerer. Dette kan typisk variere fra under 1 ampere (A) op til ca. 10 A, såvel som den maksimale spænding, som sikringen kan modstå over dens terminaler. For nogle eFuses er dette nuværende niveau fast, mens det for andre kan brugerindstilles via en ekstern modstand. Andre valgfaktorer inkluderer svarhastighed, hvilestrøm, størrelse (fodaftryk) og antallet og typen af eventuelle nødvendige eksterne supportkomponenter. Derudover skal designere overveje eventuelle yderligere egenskaber og funktioner, som de forskellige eFuse-modeller kan tilbyde.

For eksempel er PLC'er en applikation, hvor eFuses er gavnlige i forskellige sub-kredsløb, der kan være tilbøjelige til sensor I/O og fejltilslutning. Der er også aktuelle overspændinger, når ledningsforbindelser foretages, eller kortene bliver udskiftet run-time (hot-swap). En eFuse som f.eks. Texas Instruments TPS26620 bruges ofte i disse 24 volt applikationer. Den er vist indstillet til en 500 mA grænse i figur 2. Det fungerer fra 4,5 volt til 60 volt ved op til 80 mA med en programmerbar strømgrænse, overspænding, underspænding og beskyttelse mod omvendt polaritet. IC kan også kontrollere indgangsstrøm og yde robust beskyttelse mod omvendt strøm og feltforbindelse til både PLC I/O-moduler og sensorstrømforsyninger.

Figur 2: Texas Instruments TPS26620 eFuse er vist indstillet til at udløse ved en strøm på 500 mA i denne 24 volt DC PLC-applikation. (Billedkilde: Texas Instruments)

Timingsdiagrammerne i figur 3 for Toshiba's TCKE805, en 18 volt/5 A eFuse, viser hvordan en leverandør har implementeret den automatiske genforsøg versus låste tilstande. I tilstanden automatisk genforsøg (indstillet af EN/UVLO-pakkeben) forhindrer funktionen overstrømsbeskyttelses beskadigelse af eFuse og dens belastning ved at undertrykke strømforbruget i tilfælde af en fejlsituation.

Figur 3: Toshiba TCKE805 18 volt/5 A eFuse bruger en test-og-gentag cyklus sekvens til at vurdere, om det er sikkert at gendanne den aktuelle strømning. (Billedkilde: Toshiba)

Hvis udgangsstrømmen indstilles af ekstern modstand (R_LIM), overstiger grænsestrømmen (I_LIM) værdi på grund af en belastningsfejl eller kortslutning, reduceres udgangsstrømmen og udgangsspændingen, hvorved den strøm der forbruges af IC og belastningen bliver begrænset. Når udgangsstrømmen når den forudindstillede grænseværdi, og overstrøm detekteres, fastshoolldes udgangsstrømmen, så der ikke er mere strøm end I_LIM flow. Hvis situationen med overstrøm ikke løses på dette tidspunkt, opretholdes denne fastholdte tilstand, og eFuse-temperaturen fortsætter med at stige.

Når eFuse-temperaturen når driftstemperaturen for den termiske nedlukningsfunktion, slukkes eFuse MOSFET, hvilket helt stopper flow af strøm. Den automatiske forsøgsoperation forsøger at gendanne strømmen ved at stoppe strømmen, hvilket sænker temperaturen og frigiver den termiske nedlukning. Hvis temperaturen stiger igen, gentager cyklussen og stopper operationen, indtil overstrømsituationen er elimineret.

I modsætning hertil klemmer begrænses output, indtil eFuse nulstilles via Enable (EN/UVLO) -ben på IC'en (figur 4).

Figur 4: I låsemodus, modsat tilstanden automatisk genforsøg, nulstilles Toshiba eFuse ikke, før den er instrueret om at gøre det via IC's Enable-ben. (Billedkilde: Toshiba)

Nogle eFuses kan konfigureres til at løse problemer forbundet med strømmåling på tværs af en modstand, såsom det tilknyttede IR-fald, der reducerer spændingen på udgangssiden. For eksempel 3,3 volt STEF033AJR fra STMicroelectronics har nominelle maksimale strøm- og FET-modstandsværdier på henholdsvis 3,6 A og 40 milliohms (mΩ) for DFN-pakken og 2,5 A og 25 mΩ til flip-chip-pakken. I den konventionelle forbindelse vist i figur 5 kan selv et beskedent IR-fald på ca. 15 millivolt (mV) i forsyningsskinnen gennem modstanden være signifikant og bekymrende ved højere strømværdier.

Figur 5: I den konventionelle ledningsføring af STEF033AJR er modstanden, der etablerer grænseværdien, R-lim, placeret mellem to udpegede terminaler. (Billedkilde: STMicroelectronics)

Ændring af den konventionelle forbindelse ved at placere modstanden mellem den positiv-side grænseforbindelse og udgangsspændingsforbindelsen (V_UD/Kilde), implementerer et Kelvin-sensing arrangement, der kompenserer for IR drop (figur 6).

Figur 6: For at reducere virkningerne af strømfølsom IR-fald er den negativ-side af grænsemodstanden forbundet med spændingsudgangen (V_UD/Kilde). (Billedkilde: STMicroelectronics)

Bemærk, at selvom eFuses er halvledere og kan arbejde ned til encifrede spændinger, er de ikke begrænset til den lave region. For eksempel eFuses i Texas Instruments TPS2662x familien er klassificeret til drift fra 4,5 til 57 volt.

eFuse: Design eller køb?

I princippet er det muligt at opbygge en grundlæggende eFuse fra diskrete komponenter ved hjælp af et par FET'er, en modstand og en induktor. De tidligste eFuses blev bygget på denne måde, med induktoren, der tjener to formål: Filtrering af DC-udgang og fungerer også som en følemodstand ved hjælp af DC-modstanden i dens viklinger.

En forbedret eFuse med mere ensartet ydeevne, der tager højde for egenskaberne ved dens komponenter såvel som driftsmæssige overvejelser i den virkelige verden, kræver dog mere end et par diskrete komponenter. Selv med de ekstra komponenter kan den kun give grundlæggende eFuse-funktionalitet (figur 7).

Figur 7: En eFuse med grundlæggende funktionalitet, der bruger diskrete komponenter, skal forudse og overvinde deres nedarvende begrænsninger. (Billedkilde: Texas Instruments)

Virkeligheden er, at akkumuleringen af aktive og passive diskrete komponenter snart bliver uhåndterlig, er tilbøjelig til enhed-til-enhed-præstationsvariationer og har problemer relateret til indledende tolerance, ældning af komponenter og temperaturinduceret drift. Kort sagt, en DIY "make" diskret løsning har mange begrænsninger:

• Diskrete kredsløb bruger generelt en P-kanal MOSFET som et pass-element. Disse er dyrere end en N-kanal MOSFET med hensyn til at opnå den samme modstandsværdi (R_{DS (ON)}).
• Diskrete løsninger er ineffektive, da de inkluderer strømforsyning over en diode med en tilsvarende stigning i kortets temperatur.
• Det er vanskeligt for adskilte kredsløb, at inkludere tilstrækkelig termisk beskyttelse til passelementet FET. Som et resultat skal denne kritiske forbedring udelades, eller designet skal være stort for at give et passende sikkert driftsområde (SOA).
• Et omfattende diskret kredsløb har brug for mange komponenter og betydelig kortplads, og behovet for beskyttelse af kredsløbets robusthed og pålidelighed tilføjer yderligere komponenter.
• Selvom udgangsspændingens drejningshastighed i diskrete designs er justerbar ved hjælp af modstands- og kondensatorkomponenter (RC), skal disse komponenter dimensioneres med nøje forståelse af port-karakteristikken for pass-FET.

Selv hvis en diskret komponentløsning var acceptabel, ville den være begrænset i dens funktioner sammenlignet med en IC-løsning. Sidstnævnte kan omfatte nogle eller alle de mange citerede yderligere funktioner, som det ses i figur 8 eFuse-blokdiagram. Derudover er IC-løsningen mindre, har mere ensartet og fuldt karakteriseret ydelse og tilbyder en implementerings “fred i sindet”, som en multikomponentløsning ikke kan tilbyde samt gøre det til en lavere pris. Bemærk, at TPS26620-databladet har flere dusin præstationsgrafer og tidsdiagrammer, der dækker en række driftsforhold, som alle ville være vanskelige at skabe for den diskret løsning.

Figur 8: Den udvendige enkelhed og udseende af en fuldt udstyret eFuse skjuler dens indre kompleksitet, hvilket ville være meget vanskeligt at reproducere ved hjælp af diskrete komponenter. (Billedkilde: Texas Instruments)

Der er en anden kritisk grund til at købe en standard eFuse IC i stedet for at tage den diskrete DIY-vej: Lovgivningsmæssig godkendelse. Mange sikringer, termisk og eFuse, bruges til sikkerhedsrelaterede funktioner for at forhindre forhold, hvor kraftig strøm kan forårsage overophedning af komponenter og muligvis brand eller skade brugerne.

Alle konventionelle termiske sikringer er godkendt af de forskellige tilsynsmyndigheder og standarder for at give en fejlsikker strømafbrydelse, når de anvendes korrekt. Det ville dog være meget vanskeligt og tidskrævende og sandsynligvis endda umuligt at få de samme godkendelser til en diskret løsning.

Derimod er mange af eFuse IC'erne allerede godkendt. F.eks. Er eFuses i TPS2662x-serien UL 2367-godkendt (“Special-purpose Solid-state Overcurrent Protector”) og IEC 62368-1-certificeret (Audio/video-, informations- og kommunikationsteknisk udstyr - Del 1: Sikkerhedskrav). De opfylder også IEC 61000-4-5 (“Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) - Del 4-5: Test- og måleteknikker - Surgeimmunitetstest”). For at blive certificeret testes disse eFuses for ydeevne i deres grundlæggende rolle såvel som under forhold, der inkluderer minimum og maksimum driftstemperatur, minimum og maksimum opbevaring og transport temperaturer, omfattende unormale og udholdenhedstest og termisk cykling.

Konklusion

eFuses, der bruger aktive kredsløb i stedet for et smeltbart link til at afskære strømmen, hjælper designere med at imødekomme krav, der inkluderer hurtig afbrydelse, selvindstilling og pålidelig drift under lave strømforhold. De kommer også med forskellige beskyttelsesfunktioner samt justerbare svinghastigheder. Som sådan er de en værdifuld tilføjelse til ingeniørens sæt kredsløb og systembeskyttelseskomponenter.

Som diskuteret kan eFuses erstatte konventionelle termiske sikringer, selvom de i mange tilfælde giver lokal beskyttelse og suppleres med termisk sikring. Ligesom den ærværdige termiske sikring er mange af eFuses også certificeret til brug i sikkerhedsrelaterede funktioner, hvilket udvider deres alsidighed og anvendelighed.

Yderligere læsning

1. “IEC 62368-1 er på vej: Den nye sikkerhedsstandard for IKT og AV-udstyr”
2. “Den rigtige strømforsyning er afgørende for at imødekomme det nye IEC/UL IEC-62368 forbrugersikkerhedsmandat”
3. “Sikringsvejledning”
4. “Sådan vælges og anvendes Smart Current Sensing and Monitoring Technologies (i stedet for sikringer)”