Rövidzárlat, túlfeszültség és túlmelegedés elleni védelem megvalósítása eFuse biztosítékokkal

Az otthoni, irodai és ipari elektronikai eszközök elterjedésével egyre fontosabb 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 kikapcsolási áramok pontatlansága és a lomha válaszidők, és jellemző rájuk, hogy tönkremenetelük esetén a biztosítékot cserélni kell, ami körülményes lehet.

Bár egy megfelelő védelmi megoldás nulláról is megtervezhető, nem könnyű elérni az igényes késleltetési és pontossági követelményeknek való megfelelést egy visszaállítható eszközben. Ezenkívül, egy ilyen megoldásnál ma már alapvető követelménynek számít az állítható túláramvédelem, a bekapcsolási áram állítható jelfelfutási meredeksége, a túlfeszültség elleni védelem, a visszáram blokkolása és a túlmelegedés elleni védelem. Egy ilyen kialakításhoz továbbá 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 folyamatot tovább nehezíti, hogy magas szintű megbízhatósági követelményeknek és nemzetközi biztonsági szabványoknak kell megfelelni, mint amilyen például az IEC/UL62368-1 és az UL2367.

E követelmények kielégítésére a tervezők a nanoszekundum sebességű rövidzárlat-védelem biztosítására képes elektronikus biztosíték (eFuse) IC-khez fordulhatnak, melyek sebessége körülbelül egymilliószor gyorsabb, mint amire a hagyományos biztosítékok vagy a PPTC-eszközök képesek.

Ez a cikk azzal foglalkozik, hogy miért szükséges gyorsabb, robusztusabb, kompaktabb, megbízhatóbb és költséghatékonyabb áramköri védelmet biztosítani, majd bemutatja az eFuse biztosítékokat és leírja azok működését. Ezután bemutat néhány eFuse IC-t a Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation vállalattól, és leírja, hogyan elégíthetők ki segítségükkel a költséghatékonyság, a kompaktság és robusztus védelem iránti igények.

Áramkörvédelmi követelmények

A túláram, a rövidzárlat, a túlterhelés és a túlfeszültség elleni védelem alapvető áramkörvédelmi követelmények az elektronikus rendszerek védésekor. Túláram esetén egy vezetőn túl nagy áram folyik keresztül. Ez nagymértékű hőtermeléshez vezethet, ami tüzet vagy berendezéskárosodást okozhat. Túláramos állapotokat rövidzárlatok, túlterhelések, tervezési hibák, alkatrészhibák, valamint ív- vagy földzárlatok okozhatnak. Hiba esetén a túláramvédelemnek azonnal működésbe kell lépnie, hogy biztosítsa az áramkörök és az eszközöket használó személyek védelmét.

Túlterhelt állapotról akkor beszélünk, amikor a túláram nem jelent azonnali veszélyt, de hosszan tartó fennállása esetén annak következményei ugyanolyan veszélyesek lehetnek, mint egy nagy amplitúdójú túláram. A túlterhelés elleni védelem a túlterhelés szintjétől függően különböző időbeli késéssel valósul meg. A túlterhelés növekedésével a késés csökken. A túlterhelés elleni védelem késleltetett kioldású vagy más néven lomha biztosítékokkal valósítható meg.

Túlfeszültségi állapotok esetén a rendszer működése instabillá válhat, valamint ez rendellenesen nagy hőtermeléshez és a tűzveszély fokozódásához vezethet. A túlfeszültségek közvetlenül veszélyeztethetik a rendszer felhasználóinak vagy üzemeltetőinek testi épségét is. Mint ahogy a túláram esetében, adott esetben a túlfeszültség ellen védő áramkörnek is gyorsan működésbe kell lépnie, hogy leválassza a védett eszközt a feszültségforrásról.

A biztonságos és stabil működéshez egyes esetekben az alapfunkciókon túlmenően előnyös lehet további védelmi funkciók jelenléte is, beleértve a túlfeszültség és a túláram elleni védelem állíthatóságát, a bekapcsolási túláram szabályozását, a túlmelegedés elleni védelmet és az ellenáram blokkolását. A különböző áramkörvédelmi eszközök különböző kombinációkban képesek kielégíteni ezeket az áramkörvédelmi szükségleteket.

Az eFuse biztosítékok működési elve

Az eFuse IC-k a hagyományos biztosítékokhoz és PPTC eszközökhöz képest szélesebb körű védelmi funkciókat és magasabb szintű szabályozási lehetőségeket biztosítanak (1. ábra). A nagysebességű rövidzárlat-védelem mellett az eFuses biztosítékok lehetővé teszik a túlfeszültség precíz korlátozását, a túláramvédelem beállítását, a feszültség- és áramjelek fel- és lefutóél-meredekségének szabályozását a túláramok és a túlmelegedés esetén történő kikapcsolás minimalizálása érdekében. Különböző változatok beépített formában tartalmazzák az ellenáram blokkolásának lehetőségét is.

1. ábra: Egy eFuse biztosítékkal a hagyományos biztosítékok vagy PPTC eszközök válthatók ki, de más kiegészítő védelmi funkciókat és nagyobb fokú szabályozhatóságot is biztosít (kép: Toshiba)

Az eFuse működése terén az egyik kulcsfontosságú elem a belső teljesítmény MOSFET, amelynek ellenállása bekapcsolt állapotban jellemzően csupán mΩ nagyságrendű, és amely nagy kimeneti áramok kezelésére képes (2. ábra). Normál működés közben a teljesítmény-MOSFET nagyon alacsony nyitóirányú ellenállásának köszönhetően a VOUT érintkezőn mért feszültség majdnem azonos a VIN-en mért feszültséggel. Rövidzárlat észlelésekor a MOSFET nagyon gyorsan kikapcsol, amikor pedig a rendszer visszatér és a normál állapotban működik, a MOSFET a túláramok szabályozására szolgál.

2. ábra: Az eFuse biztosítékok gyors működéséhez és áramlökés-kezelő képességeinek biztosításához kulcsfontosságú egy alacsony nyitóirányú ellenállású teljesítmény-MOSFET-et (középen fent) használni az áramkörben (kép: Toshiba)

A teljesítmény-MOSFET jelenléte mellett az eFuse-ok aktív jellege is hozzájárul számos működésbeli előnyükhöz (1. táblázat). A hagyományos biztosítékok és a PPTC-k passzív eszközök, amelyek a kioldási áram tekintetében csupán alacsony pontosságot kínálnak. Működésük Joule-hőfejlődésen alapul, amelynek kialakulása időt vesz igénybe, és amiatt reakcióidejük is nagyobb. Az eFuse ezzel szemben folyamatosan figyeli az áramot, és amint az eléri a beállítható áramhatárérték 1,6-szorosát, a rövidzárlat-védelem bekapcsolt. Az eFuse-ok ultragyors rövidzárlat-védelmi mechanizmusa annak működésbe lépése 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 a rendszerek különböző igénybevételeknek való kitettségét, növelve az általános megbízhatóságukat. Mivel az eFuse biztosítékok nem mennek tönkre rövidzárlat esetén, így többször is használhatók.

1. táblázat: Az eFuse IC-k gyorsabb védelmet, nagyobb pontosságot és teljesebb körű védelmi funkciókat nyújtanak a biztosítékokkal és a PPTC (polimer alapú kapcsoló) eszközökkel szemben (táblázat: Toshiba)

A hagyományos, egyszer használatos biztosítékokkal szemben az eFuse-ok csökkentik a karbantartási költségeket, valamint hozzájárulnak a helyreállítási és javításhoz szükséges idő csökkenéséhez is. Az eFuse biztosítékok hiba után kétféle módon állnak vissza eredeti állapotukba: automatikusan, ami azt jeleni, hogy a hibaállapot megszűnése után visszatérnek a normál működéshez; illetve öntartó védelem esetén a hiba megszüntetése után külső jel segítségével állíthatók vissza alapállapotba. Az eFuse IC-kkel a túlfeszültség és a túlmelegedés elleni védelem is le van fedve, ami hagyományos biztosítékokkal vagy PPTC-kkel nem lehetséges.

Az eFuse biztosítékok kiválasztása

Egy adott áramkörhöz alkalmas eFuse kiválasztása leginkább jellemzően az áramkör tápsínjétől függ. 5-12 V-os tápsínek esetén jó döntés az TCKE8xx sorozatú eFuse biztosítékok használata. Ezek névleges bemeneti feszültsége 18 V, névleges áramuk 5 A, megfelelnek az IEC 62368-1 szabvány követelményeinek, és 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 mm magas, 0,5 mm érintkezőtávolságú WSON10B tokozással rendelkeznek (3. ábra).

3. ábra: A Toshiba eFuse biztosítékait 3 mm x 3 mm-es, 0,7 mm magas WSON10B felületszerelt tokban forgalmazzák (kép: Toshiba)

A TCKE8xx sorozat rugalmasságot kínál a tervezők számára, többek között külső ellenállással állítható túláram-határértéket, külső kondenzátorral állítható jelfelfutási meredekséget, túlfeszültség és feszültséghiány elleni védelmet, kikapcsolódást túlmelegedéskor és egy vezérlő lábat egy opcionális, az ellenáramot blokkoló FET számára.

A felhasználók három különböző túlfeszültség-korlátozási szint közül választhatnak: 6,04 V az 5 V-os rendszerekhez (például TCKE805NL,RF), 15,1 V a 12 V-os rendszerekhez (TCKE812NL,RF), illetve a feszültségkorlátozás nélküli típusok (például a TCKE800NL,RF) (4. ábra). A túlfeszültségvédelem a típustól függően automatikus újraindulás és feszültségszint-korlátozás formájában áll rendelkezésre, a korlátozási szintek pedig 7%-os pontossággal állíthatók be. A feszültséghiány esetén történő lekapcsolás egy külső ellenállással programozható. A túlmelegedéskor történő kikapcsolás védelmet nyújt az IC számára, ha a hőmérséklete 160 °C fölé kerül. Az automatikus helyreállású hővédelmi típusok újraindulnak a hőmérséklet 20 °C-kal történő csökkenése után.

4. ábra: A TCKE8xx sorozatú eFuse biztosítékok esetén a választható túlfeszültség-korlátozási szintek a következők: 6,04 V az 5 V-os rendszerekhez (TCKE805), 15,1 V a 12 V-os rendszerekhez (TCKE812), illetve feszültségkorlátozás nélküli típusok (TCKE800) (kép: Toshiba)

A stabil működés biztosításához ezek az eFuse biztosítékok lehetőséget biztosítanak arra, hogy a tervezők beállíthassák az áram- és feszültség-jelek felfutási meredekségét (5. ábra). Bekapcsoláskor nagy indítóáram áramolhat a kimeneti kondenzátorba, aminek következtében az eFuse működésbe léphet, és ez instabil működést okozhat. Az eFuse dV/dT lábára kapcsolt külső kondenzátor állítja be a feszültség, illetve az áram felfutási meredekségét, ezzel akadályozva meg a biztosíték szükségtelen és téves bekapcsolását.

5. ábra: A tervezők az eFuse stabil működésének biztosításához beállíthatják a feszültség és az áram felfutási meredekségét (kép: Toshiba)

Az adatott rendszer követelményeitől függően a tervezők egy külső N-csatornás teljesítmény-MOSFET-et is hozzáadhatnak az áramkörhöz az ellenáram blokkolásához, egy elnyomódiódát a bemeneti tranziens feszültségek elleni védelemhez, valamint egy Schottky-diódát (SBD) a negatív feszültségcsúcsok elleni védelemhez az eFuse kimenetén (6. ábra). Az ellenáram blokkolása hasznos lehet a működés közben cserélhető (hot-swap) lemezmeghajtóknál, akkumulátortöltőknél, és más hasonló esetekben. A külső MOSFET az EFET lábon keresztül vezérelhető.

Elnyomódióda beépítésére olyan rendszerekben van szükség, ahol a tápsínre az eFuse maximális névleges feszültségértékét meghaladó tranziens feszültségek kerülhetnek. Bizonyos rendszerekben negatív feszültségcsúcs jelenhet meg az eFuse kimenetén, és az opcionális Schottky-dióda 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 elnyomódiódaként, és a CUHS20S30,H3F-t Schottky-diódaként.

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

Beépített ellenáram-blokkoló MOSFET-tel rendelkező eFuse

A lehető legkisebb méreteket és az ellenáram blokkolását igénylő rendszerekhez a tervezők felhasználhatják a TCKE712BNL,RF eFuse-t, amely két belső MOSFET-et tartalmaz (7. ábra). A második belső MOSFET használatához semmilyen mértékben nem társul működésbeli hátrány. A két MOSFET nyitóirányú ellenállása együttesen 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)

A TCKE8xx sorozat fix feszültségű típusaihoz képest a TCKE712BNL,RF bemeneti feszültségtartománya 4,4 és 13,2 V között van. Ezen lehetséges bemeneti feszültségtartomány támogatásához rendelkezik egy túlfeszültség-védelmi (OVP) lábbal, amely lehetővé teszi a tervezők számára, hogy saját túlfeszültség elleni védelmi szintet állítsanak be az adott rendszerigényeknek megfelelően. Ezen kívül a TCKE712BNL rendelkezik egy nyitott draines jelkimenetet biztosító FLAG lábal is, amely hibaállapotok jelzésére használható.

Összegzés

Elektronikus rendszerek esetén az áramkörök és a felhasználó személyek védelmének biztosítása kritikus fontosságú, különösen az eszközök egyre nagyobb elterjedése és a meghibásodási lehetőségének növekedése miatt. Ugyanakkor a tervezőknek a költségeket és a helyigényt a lehető legkisebbre kell csökkenteniük, miközben a védelem tekintetében maximális rugalmasságot kell elérni, de meg kell felelni a kötelező védelmi szabványoknak is.

A rendkívül gyors működésű, pontosságú, megbízhatóságú és többször felhasználható eFuse biztosítékok nem csak a tervezők számára jelentenek egy működésbeli és rugalmas alternatívát a hagyományos biztosítékokkal és PPTC eszközökkel szemben, hanem számos olyan beépített funkcióval rendelkeznek, amelyekkel az áramkörök és felhasználók védelme a tervezés szintjén nagymértékben leegyszerűsíthető.

Ajánlott olvasnivaló

1. Intelligens áramérzékelő és áramfigyelő technológiák kiválasztása és alkalmazása (biztosítékok helyett)
2. Az új AV/ICT IEC 62368-1 szabványnak megfelelő védőáramkörök tervezése