Napájecí adaptéry USB Type-C, síťová zařízení, spotřební a průmyslová elektronika musí mít správně implementovanou ochranu zařízení a koncového uživatele před potenciálně škodlivými napěťovými, proudovými a teplotními podmínkami. Standardní ochrana v podobě pojistky či termistoru již nestačí a musí se volit daleko sofistikovanější metody. K dispozici je několik typů ochran, mezi které patří programovatelné a resetovatelné přepěťové ochrany (OVP), nadproudové ochrany (OCP), podpěťové ochrany (UVLO), ochrany proti přehřátí (OTP) a zavedení tzv. měkkého (pozvolného) startu nebo blokování zpětného proudu (RCB).

Ochranné obvody realizované pomocí diskrétních součástek zahrnuje zdlouhavý vývoj. Testování výsledného produktu dle bezpečnostních norem UL nebo IEC 62368-1 prodlouží dobu uvedení na trh. Navíc obvod s diskrétními komponenty zabírá vždy větší plochu než integrované řešení v podobě elektronické pojistky eFuse.

Elektronické pojistky eFuse mají programovatelné prahové hodnoty, čímž se stávají flexibilnějšími a lze u ní nastavit automatické obnovení, v momentě, kdy dojde k návratu k normálnímu stavu. Navíc mívají velmi nízký odpor a tedy vysokou účinnost. Integrovaný „pozvolný start“ zmírňuje dopady náběhových proudů. Některé modely obsahují certifikovanou funkci FRS (Fast Role Swap), která je součástí USB PD 3.0. FRS pomáhá předcházet jakékoli ztrátě dat, ke které může dojít, když je zařízení neočekávaně odpojeno od napájení.

Tento článek nás uvede do světa elektronických pojistek eFuse včetně jejich hlavních parametrů v podobě jmenovitého napětí a proudu. Detailně si představíme řadu eFuse  od Littelfuse.

Podle jakých parametrů vybrat eFuse

Nejhlavnějším parametrem, podle kterého se vybírá elektronická pojistka, je provozní napětí a proud. Pro systémy s nízkým napětím a malým proudem, to znamená napětí do 5 V a proud do 2 A, je běžně vyžadována nadproudová (OCP), podpěťová (UVLO) a tepelná ochrana (OTP). Systém by měl být vybaven pozvolným startem pro potlačení zapínacího proudu. Aplikace s proudy mezi 2 A a 6 A a s napětím až 24 V_DC jsou běžně vybaveny tepelnou (OTP) a proudovou ochranou (OVP). Aplikace s proudy nad 6 A a napětím vyšším než 24 V_DC jsou obvykle vybaveny obvodem pro blokování zpětného proudu (RCB) (obrázek 1).

Obrázek 1: Ochranné funkce eFuse silně korelují se napětím (horizontální osa) a proudem (vertikální osa) aplikace. (Zdroj obrázku: Littelfuse)

Proudová ochrana a pozvolný start

Nadměrné proudy mohou způsobit, že elektronické součástky překročí svou jmenovitou provozní teplotu, sníží se výkon a zkrátí se životnost. Proudová ochrana monitoruje procházející proud (I), a pokud překročí nastavenou úroveň „I-limit“, která je nad jmenovitým provozním proudem „Iout“, proud se nejprve omezí na určitou úroveň po dobu několika mikrosekund a poté se automaticky sníží na bezpečnou úroveň. V závislosti na použité pojistce eFuse může být hodnota úrovně proudu „I-limit“ pevná nebo programovatelná. Pokud porucha přetrvává, opět automaticky snižuje proud, počká několik ms a restartuje se. Sekvence snižování proudu a restartování se provádí do té doby dokud není závada odstraněna. Tento režim je označován jako „hiccup mode“. V případě zkratu se vstupní proud velmi rychle zvýší a eFuse okamžitě sníží proud na bezpečnou úroveň (obrázek 2).

Obrázek 2: Pojistky eFuse zahrnují proudové omezení s automatickým opakováním pro ochranu proti nadměrným zátěžovým proudům a ochranu proti zkratu. (Zdroj obrázku: Littelfuse)

Pozvolný start omezuje tok zapínacího proudu při zapnutí zařízení. Bez pozvolného nebo také měkkého startu jsou jediným omezením proudu relativně nízké impedance cest na desce a vývody součástek. Vysoké zapínací proudy mohou poškodit napájecí obvod a jeho součásti. Pozvolný start pomalu zapíná eFuse, řídí rychlost přeběhu a omezuje zapínací proud (obrázek 3). Rychlost měkkého startu může být pevně daná nebo programovatelná.

Obrázek 3: Pozvolný start v eFuse zabraňuje potenciálně škodlivým náběhovým proudům a může být fixní nebo programovatelný. (Zdroj obrázku: Littelfuse)

Podpěťová a přepěťová ochrana

Příliš vysoké nebo příliš nízké napětí může také způsobit poruchy systému a nenávratné poškození. Podpěťová ochrana (UVLO - undervoltage lockout) v elektronické pojistce eFuse zabraňuje provozu zařízení, pokud vstupní napětí klesne pod přednastavenou hodnotu. Může nastat případ, kdy vstupní napětí nabíhá příliš pomalu nebo napětí klesá se stoupajícím proudem zátěže. To způsobí, že napětí opakovaně překročí prahovou hodnotu UVLO. Pak podpěťová ochrana přejde do oscilace. To lze eliminovat použitím podpěťové ochrany s hysterezí (lag) asi 150 až 300 mV a zajistit tak hladký chod.

Přepěťová ochrana (OVP – over voltage protection) chrání zařízení před namáháním nebo poškozením nadměrně vysokým napětím. Když je detekován stav přepětí, eFuse okamžitě odstaví vysoké napětí, aby ochránil systém. Zároveň dochází k vybití výstupních kondenzátorů do země přes vnitřní odpor. Když napětí klesne na stanovenou hodnotu, eFuse automaticky obnoví spojení (obrázek 4). Práh přepěťové ochrany OVP může být pevný nebo programovatelný.

Obrázek 4: Když vstupní napětí dosáhne limitní hodnoty je zabráněno jeho dalšímu nárůstu a eFuse odpojí systém, aby byl ochráněn. (Zdroj obrázku: Littelfuse)

Tepelná ochrana

Nadměrné teploty mohou způsobit poškození nebo nesprávnou funkci, a proto elektronické pojistky eFuse obsahují vnitřní teplotní senzor. Tepelná ochrana (OTP – Over temperature protection) je obvykle implementován jako dvoufázový proces. První fáze je teplota tepelné regulace, kdy obvykle kolem hodnoty 125 °C eFuse omezuje průtok proudu, aby se pokusil zastavit nárůst teploty. Pokud se teplota nadále zvyšuje a překročí definovaný práh tepelného vypnutí (TSHDN) – obvykle kolem 140 °C – eFuse se odpojí systém od napájení. OTP také obsahuje hysterezi a eFuse se restartuje, když vnitřní teplota klesne o 20 °C pod hodnotu TSHDN (obrázek 5).

Obrázek 5: OTP obsahuje hysterezi, která restartuje eFuse jakmile teplota klesne o předem stanovenou hodnotu. (Zdroj obrázku: Littelfuse)

Kompaktní eFuse pro bateriově napájená zařízení

Pro Bluetooth zařízení a jiné nositelné zařízení, které jsou napájeny baterií lze použít eFuse LS0505EVD22 5V / 5A v pouzdře DFN2x2 s osmi piny nebo eFuse LS0504EVT233 5V / 4A v pouzdře SOT23_3L se třemi piny, které poskytují přepěťovou a nadproudovou ochranu (OVP, OCP) s funkcí pozvolného startu (obrázek 6). Vnitřní odpor spínače je 50 mΩ, a to minimalizuje ztráty energie. Přepěťová ochrana OVP v případě nadměrného napětí okamžitě zareaguje a vybije výstupní kondenzátor. Prahová hodnota proudového limitu se nastavuje pomocí externího odporu a nadproudová ochrana pracuje v režimu „hiccup mode“, který byl popsán výše. Funkce automatického pozvolného startu poskytuje plynulý nárůst napětí a omezuje náběhový proud na bezpečnou úroveň.

Obrázek 6: LS0504EVT233 eFuse je umístěna v miniaturním pouzdru SOT23 pro použití v prostorově omezených aplikacích. (Zdroj obrázku: Littelfuse)

eFuse 18 voltů / 5 A

Pojistky eFuse řady LS1205E mají rozsah provozního napětí 2,7 až 18 V_DC, jmenovitý proud 5 A a jsou vhodné pro použití v jednotkách pevných disků, jednotkách SSD a zařízeních napájených adaptérem jako jsou například notebooky. Tyto pojistky jsou vybaveny spínačem s odporem 25 mΩ a jsou umístěny v 10 pinovém pouzdře DFN3×3. Obsahují programovatelnou dobu pozvolného startu, programovatelnou proudovou ochranu až do 5 A, ochranu proti zkratu, podpěťovou ochranu a tepelnou ochranu.

K dispozici jsou dva modely:

• LS1205EV obsahuje tři volitelné rozsahy vstupního napětí. Výstupní napětí a prahové hodnoty UVLO jsou závislé na zvoleném rozsahu vstupního napětí.
• LS1205EF obsahuje funkci „open drain fault indicator“, která signalizuje výskyt poruch při UVLO, OVP, zkratu a OTP.

28V eFuse s RCB a FRS

Pro dokovací stanice a síťová zařízení, která vyžadují funkci Thunderbolt nebo USB Type-C PD s RCB a FRS lze využít 28V, 6A eFuse LS2406ERQ23. Tato eFuse obsahuje programovatelnou nadproudovou a přepěťovou ochranu ( OCP a OVP ), ochranu proti zkratu, pozvolný start a tepelnou ochranu OTP, která se automaticky resetuje, když dojde k dostatečnému ochlazení (obrázek 7). Tato pojistka eFuse je vybavena funkcí RCB – blokování zpětného proudu, která je vždy povolena bez ohledu na logický stav signálu (EN). Funkce FRS - fast role swapping a integrovaná vstupní a výstupní vybíjecí funkce splňují specifikace USB PD. LS2406ERQ23 je umístěna v nízkoprofilovém 16 pinovém pouzdru QFN o velikosti 2,5 mm x 3,2 mm a splňuje požadavky standardu UL podle UL/CSA 62368-1.

Obrázek 7: Typická aplikace LS2406ERQ23 eFuse podporující blokování zpětného proudu a FRS pro aplikace USB Type-C PD. (Zdroj obrázku: Littelfuse)

Rozložení na desce

Pro řadu LS1205E a také LS0505EVD22 a LS0504EVT233 uvádíme několik obecných rad pro rozložení desky, které je vhodné dodržet, aby implementace byla úspěšná:

• Mezi svorku IN a zem (GND) a mezi svorku OUT a GND by měl být umístěn keramický oddělovací kondenzátor o kapacitě alespoň 0,1 µF. Pokud je indukčnost vstupní napájecí cesty zanedbatelná, jako například v hot-plug aplikacích, pak tento kondenzátor není nutný.
• Oddělovací kondenzátory by měly být umístěny co nejblíže ke svorkám IN, OUT a GND a plocha smyčky tvořená spoji musí být co nejmenší.
• Vysokonapěťové napájecí cesty by měly být dimenzovány alespoň na dvojnásobek maximálního očekávaného proudu a měly by být co nejkratší.
• Svorka GND u elektronické pojistky eFuse musí být přímo připojena k zemní ploše desky.

Všechny podpůrné komponenty pro eFuse LS1205E jako R_ILIM, kondenzátor SS (CSS) a rezistory pro pin EN musí být umístěny co nejblíže k odpovídajícímu připojovacímu pinu a musí být použita co nejkratší možná délka cesty k druhé straně komponenty čili na GND. Cesty by měly být umístěny tak, aby se zabránilo vazbě na jakékoli spínací signály na desce, a délka tras pro komponenty R_ILIM a CSS by měla být co nejkratší, aby se minimalizoval vliv parazit na nastavení limitu proudu a pozvolného startu.

V datasheetu pro LS2406ERQ23 jsou podrobně popsány pravidla pro rozložení na desce související s ochranou proti zkratu kabelu USB Type-C a funkcí FRS.

Závěr

Pro ochranu uživatelů i zařízení a pro splnění příslušných norem lze využít elektronické pojistky eFuse. Limity ochranných funkcí lze programově změnit a tím se toto řešení stává flexibilním. Integrované spínače mají velmi malý vnitřní odpor, který minimalizuje výkonové ztráty. Některé modely navíc obsahují certifikované funkce FRS a RCB pro použití v AC adaptérech USB Type-C.

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com