Elektronická pojistka se používá obvykle jako doplněk pojistky tepelné a někdy i jako její plná náhrada. Elektronická pojistka eFuse měří napětí na rezistoru známé hodnoty odporu, a tím snímá protékající proud. Pokud dojde k překročení určité hodnoty proudu, dochází k přerušení toku proudu přes FET tranzistor. Tento článek popisuje funkci a vlastnosti elektronické pojistky a její efektivní využití v elektronickém obvodu. Představíme si elektronické pojistky od společnosti Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage a STMicroelectronics.

Jak funguje elektronická pojistka?

Princip tepelné pojistky je jednoduchý, známý a spolehlivý. Proud procházející tavným prvkem přesáhne stanovenou hodnotu, tento prvek se dostatečně zahřeje až dojde k jeho roztavení. Tím se přeruší elektrický obvod a protékající proud je nulový. Přerušení obvodu může trvat několik milisekund až několik sekund. Proto existují pojistky rychlé a pomalé.

Naproti tomu elektronické pojistky fungují na velmi odlišném principu. Základní koncept elektronické pojistky eFuse je zobrazen na obrázku 1. Proud do zátěže prochází FET tranzistorem a snímacím rezistorem. Na snímacím rezistoru se vlivem procházejícího proudu vytvoří odpovídající úbytek napětí, který je trvale monitorován. Pokud napětí překročí přednastavenou hodnotu, řídicí logika přeruší tok proudu pomocí FET tranzistoru (obrázek 1). FET tranzistor, který je zapojen do série (nachází se mezi napájecím vedením a zátěží), musí mít velmi nízký odpor, aby zbytečně neplýtval energií a neovlivňoval zbytek obvodu.

Obrázek 1: U eFuse je proud ze zdroje do zátěže monitorován napětím přes snímací rezistor. Pokud překročí definovanou hodnotu, řídicí logika přeruší tok proudu do zátěže pomocí FET tranzistoru. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Může se zdát, že elektronická pojistka je složitá a je to pouze aktivní verze klasické pasivní tepelné pojistky. Pravda je to jen z části, jelikož elektronická pojistka nabízí navíc následující vlastnosti:

• Rychlost: Reakční časy se pohybují v řádu mikrosekund, přičemž některá jsou navržena dokonce tak, aby poskytovala nanosekundovou odezvu. Toto je důležité pro obvody s relativně citlivými integrovanými obvody.
• Nízkonapěťový provoz: Elektronické pojistky dobře fungují při nízkých jednociferných napětích. Na těchto úrovních nelze tepelné pojistky napájet dostatečným „samoohřívacím“ proudem, aby došlo k roztavení jejich tavného prvku.
• Resetovatelnost: Elektronické pojistky eFuse dává uživateli možnost výběru chování po aktivaci pojistky. Může být trvale přerušen obvod do doby, kdy jej uživatel sám neodblokuje nebo dojde k obnovení normálního provozu, pokud aktuální porucha ustoupí. Druhé nastavení je obzvláště užitečné v situacích přechodného zapínacího proudu, kdy nedochází k „tvrdé“ poruše. Je také užitečné tam, kde je výměna pojistky obtížná nebo příliš nákladná.
• Ochrana proti zpětnému proudu: Pojistka eFuse může poskytovat ochranu proti zpětnému proudu. To tepelná pojistka nedokáže. Zpětné proudy mohou nastat, když je napětí na výstupu systému vyšší než na jeho vstupu. K tomu může dojít například u redundantních zdrojů napájení paralelně.
• Přepěťová ochrana: S některými dalšími obvody může eFuse poskytovat ochranu před přepětím nebo indukčními rázy. Přeruší obvod pomocí FET tranzistoru, pokud vstupní napětí překročí nastavenou hodnotu a zůstane ve stavu VYPNUTO, dokud tento stav přepětí přetrvává.
• Ochrana proti přepólování: eFuse může také poskytovat ochranu proti přepólování a rychle přerušit tok proudu, pokud je zdroj připojen opačně. Příkladem je autobaterie, která je na krátkou chvíli přepólována kvůli náhodnému kontaktu kabelu.
• Rychlost při aktivaci/deaktivaci pojistky: Některé elektronické pojistky eFuse mohou také poskytovat definované náběhové rychlosti při zapnutí / vypnutí. Toto dosahuje přesným řízením FET tranzistoru.

Z těchto důvodů jsou elektronické pojistky vyhledávaným řešením pro řízení proudu. I když je lze v některých případech použít jako náhradu tepelných pojistek, jsou často k tepelným pojistkám přidávány jako doplněk. V takovém uspořádání se eFuse používá pro rychlou ochranu části obvod nebo desky PC, jako jsou systémy vyměnitelné za provozu (tzv. hot plug), automobilové aplikace, programovatelné logické automaty (PLC) a správa baterií.

Výběr elektronické pojistky

Při výběru elektronické pojistky eFuse je třeba vzít v úvahu několik základních parametrů. Hlavním parametrem je proud, na kterém má pojistka plnit svou funkci. Ten se může pohybovat od několika miliampér až do 10 A. Neméně důležitým parametrem je velikost maximálního napětí, které pojistka vydrží na svých svorkách. Pro některé elektronické pojistky eFuse jsou tyto dva parametry pevně dané z výroby, ale existují typy, kde je lze nastavit pomocí externího rezistoru. Mezi další faktory, které je nutné zvážit je rychlost odezvy, klidový proud, velikost (stopa) a počet externích komponent.

U PLC se pojistky eFuse používají v obvodech, které mohou být náchylné k nesprávnému připojení napájení. Jelikož se u PLC vyskytují proudové rázy způsobené připojením či odpojením drátových spojení za chodu. V těchto 24 voltových aplikacích se často používá elektronická pojistka TPS26620 od Texas Instruments. Na obrázku 2 je zobrazena tato pojistka nastavená pro limit 500 mA. Pracuje od 4,5 V do 60 V. Pojistka má integrované ochrany jako je proudové omezení, ochranu proti přepětí, podpětí a přepólování.

Obrázek 2: Texas Instruments TPS26620 eFuse je v této 24voltové PLC aplikaci nastavena tak, aby se vypnula při proudu 500 mA. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Časové diagramy na obrázku 3 jsou pro pojistku TCKE805 od Toshiby. Je vhodná pro napětí do 18 V a výstupní proud 5 A. Tyto diagramy ukazují implementaci režimu auto-retry a režimu latch. Režim auto-retry se nastavuje pomocí pinu EN / UVLO.

Obrázek 3: Toshiba TCKE805 18 V, 5 A eFuse používá posloupnost testů k posouzení, zda je bezpečné obnovit tok proudu. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Pokud výstupní proud nastavený externím odporem (R_LIM ) překročí hodnotu mezního proudu (I _LIM ), kvůli chybě zátěže nebo zkratu, výstupní proud a výstupní napětí se sníží, čímž se omezí výstupní výkon. Když výstupní proud dosáhne přednastavené mezní hodnoty a je detekován nadproud, je výstupní proud omezen tak, aby neprotékalo více proudu než I_LIM.

Pokud v této fázi stále nadproud trvá teplota eFuse dále stoupá. Když teplota eFuse dosáhne mezní teploty pro tepelné vypnutí, eFuse pomocí MOSFET tranzistoru přeruší tok proudu. Speciální funkce režimu auto-retry pozastaví proud, a to má za následek snížení teploty a uvolnění tepelného vypnutí. Pokud teplota opět stoupne, cyklus se opakuje, dokud není odstraněn nadproud. Naproti tomu režim Latch odepne výstup, dokud se eFuse nevynuluje pomocí pinu Enable (EN / UVLO) IC (Obrázek 4).

Obrázek 4: V režimu Latch, na rozdíl od režimu auto-retry, se Toshiba eFuse neresetuje, dokud k tomu nebudete vyzvána přes pin Enable (EN / UVLO) IC. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Některé pojistky eFuse lze nakonfigurovat tak, aby překonávaly problémy spojené se snímáním proudu přes rezistor (pokles napětí). 3,3 voltová elektronická pojistka STEF033AJR od STMicroelectronics má nominální maximální proud 3,6 A a hodnotu odporu FET tranzistoru 40 mΩ pro pouzdro DFN. Pro pouzdro Flip-Chip jsou to hodnoty 2,5 A a 25 mΩ. V klasickém zapojení znázorněném na obrázku 5 může být při vyšších hodnotách proudu pokles napětí přibližně 15 mV.

Obrázek 5: U běžného zapojení STEF033AJR je mezi dvěma svorkami umístěn odpor, který stanoví mezní hodnotu R-lim. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

Úpravou klasického zapojení (rezistor se umístí mezi pozitivní svorku I_lim+ a výstupní napětí (V _OUT / Source) se implementuje Kelvinovo uspořádání, které kompenzuje pokles napětí (obrázek 6).

Obrázek 6: Aby se snížily úbytky napětí, je záporná strana limitního rezistoru připojena k napěťovému výstupu (V _OUT / Zdroj). (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

I když jsou pojistky eFuse polovodičové, mohou pracovat v širokém rozmezí provozního napětí. Například pojistky TPS2662x od Texas Instruments jsou dimenzovány pro provoz od 4,5 do 57 V.

eFuse: Vyrobit nebo koupit?

Elektronickou pojistku lze sestavit z diskrétních součástek pomocí dvou FET tranzistorů, odporu a cívky. Nejstarší pojistky eFuse byly tímto způsobem postaveny, přičemž cívka sloužila dvěma účelům. Jako filtr stejnosměrného výstupního napětí a také jako snímací rezistor (odpor vynutí). I když se vylepší takto postavená elektronická pojistka několika dalšími součástkami, stále bude poskytovat pouze základní funkce (obrázek 7).

Obrázek 7: Pojistka eFuse se základními funkcemi sestavená pomocí několika diskrétních komponent. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Problémem je, že aktivní a pasivní diskrétní komponenty mají různé odchylky, které způsobují odchylky ve výsledném výkonu mezi jednotlivými obvody. Dalším problémem je stárnutí jednotlivých komponent a teplotní drift. Stručně řečeno, diskrétní řešení pro „kutily“ má řadu omezení:

• Diskrétní obvody obecně používají pro průchod proudu tranzistor MOSFET s kanálem P, který je obecně dražší než MOSFET s N-kanálem, pokud jde o dosažení stejné hodnoty odporu (R _{DS (ON)}).
• Diskrétní řešení nejsou tak účinná, protože vykazují rozptýlení energie přes diodu s odpovídajícím zvýšením teploty desky.
• Pro diskrétní obvody je obtížné zahrnout adekvátní tepelnou ochranu pro průchodový tranzistor. Ve výsledku musí být tato ochrana vynechána nebo musí být navrhnuta podstatně předimenzována, aby poskytovala bezpečný chod.
• Komplexní diskrétní obvod vyžaduje mnoho komponent, a tím zabírá značný prostor na desce.
• Přestože je rychlost náběhu výstupního napětí v diskrétním řešení nastavitelná pomocí odporových a kondenzátorových komponent (RC), je nutné je dimenzovat s ohledem na charakteristiky tranzistoru FET.

Pořád se ale diskrétní řešení nevyrovná řešením pomocí integrovaného obvodu. eFuse v podobě integrovaného obvodu nabízí veškeré dříve zmíněné funkce, jak je vidět na blokovém schématu na obrázku 8. Kromě toho je eFuse integrovaný obvod menší, má konzistentnější a stabilní definovaný výkon, a jeho cena je nižší. Specifikace pro eFuse TPS26620 obsahuje několik desítek výkonnostních grafů a časových diagramů pokrývajících různé provozní podmínky, které pro diskrétní řešení není možné realizovat.

Obrázek 8: Vnější jednoduchost a vzhled plně vybavené eFuse skrývá jeho vnitřní složitost, kterou by bylo velmi obtížné reprodukovat pomocí diskrétních komponent. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Proč se rozhodnout pro eFuse integrovaný obvod je to, že pojistky musí splňovat různé bezpečnostní standardy, a právě použitím certifikovaných eFuse integrovaných obvodů se nám zjednoduší cesta vývoje.

Například pojistky eFuse z řady TPS2662x vyhovují standardu UL 2367 („Speciální nadproudový chránič v pevné fázi“) a jsou certifikovány podle IEC 62368-1 (Zařízení pro audio / video, informační a komunikační technologie - Část 1: Bezpečnostní požadavky). Splňují také normu IEC 61000-4-5 („Elektromagnetická kompatibilita (EMC) - část 4-5: Zkušební a měřicí techniky - Zkouška odolnosti proti rázům“). Tyto elektronické pojistky jsou podrobeny testům na požadovaný výkon i za podmínek, které zahrnují minimální a maximální provozní teplotu, minimální a maximální teplotu skladování a přepravy, rozsáhlé abnormální a vytrvalostní testy a tepelné cyklování.

Závěr

Elektronické pojistky eFuse pomáhají konstruktérům splnit požadavky na rychlé odpojení, samočinné resetování a spolehlivý provoz i při nízkých hodnotách proudu a napětí. Mají integrované ochranné prvky a nastavitelné rychlosti vybavení. Jak již bylo uvedeno, eFuses mohou nahradit standardní tepelné pojistky, i když v mnoha případech se používají jako její doplněk. Řada elektronických pojistek eFuses je certifikována podle přísných bezpečnostních norem, a díky tomu se značně zjednodušuje a zrychluje vývoj zařízení.

Další informace:

1. IEC 62368-1 Is on Its Way: The New Safety Standard for ICT and AV Equipment
2. The Right Power Supply is Critical to Meet the New IEC/UL IEC-62368 Consumer Product Safety Mandate
3. Fuse Tutorial
4. How to Select and Apply Smart Current Sensing and Monitoring Technologies (Instead of Fuses)

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Bill Schweber.