Jste zde

Elektronická pojistka – moderní pojetí ochrany elektronických obvodů

Jeff Shepard, Digi-Key, 16. Listopad 2021 - 8:32

Každé elektronické zařízení v domácnosti, kanceláři či průmyslu musí obsahovat prvek, který ochrání nejen sebe, ale i okolí. Tato ochrana musí být levná, rychlá, resetovatelná a nastavitelná. Klasické pojistky mají nepřesný vypínací proud a jsou relativně pomalé. Proto tu je elektronická pojistka neboli eFuse.

Není snadné splnit požadavky na rychlost, přesnost, resetovatelnost a ještě k tomu nastavitelnost limitu nadproudové ochrany, K tomu přidat další funkce ochrany typu ochrany proti přepětí, blokování zpětného proudu a tepelné ochrany. Splnit všechny tyto požadavky znamená použít mnoho samostatných součástek a několik integrovaných obvodů, které dohromady zabírají významnou plochu na desce plošných spojů. Naštěstí existuje řešení v podobě elektronické pojistky eFuse, která poskytuje ochranu proti zkratu v řádu nanosekund, která je asi milionkrát rychlejší než běžné pojistky.

Tento článek popisuje, proč je vyžadována rychlejší, robustnější, kompaktnější, spolehlivější a nákladově efektivnější ochrana obvodů a pak představí vlastnosti a princip elektronické pojistky eFuse. Poté si uvedeme produkty od Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation.

Ochrana obvodu

Nadproudová ochrana, ochrana proti zkratu, přetížení a přepětí jsou základní požadavky na ochranu elektronického systému. Průchodem nadproudu dochází ke vzniku tepla, které může vést až k požáru nebo poškození zařízení. Nadproud může být způsoben zkratem, nadměrným zatížením, konstrukční chybou, poruchami součástek nebo zemními poruchami. Nadproudová ochrana musí reagovat okamžitě.

Stav přetížení je ten, kdy nadměrný proud není bezprostředně nebezpečný, ale dlouhodobé následky mohou být stejně nebezpečné. Ochrana proti přetížení je realizována s různým časovým zpožděním podle úrovně přetížení.

Přepětí je způsobeno nestabilním provozem a předpětí také vede k vytváření nadměrného tepla a zvýšenému nebezpečí vzniku požáru. Stejně jako u nadproudu musí přepěťová ochrana fungovat rychle, aby odpojila zdroj.

Některé elektronické pojistky obsahují přídavné funkce jako jsou nastavitelné úrovně přepěťové a nadproudové ochrany, řízení rozběhového zapínacího proudu, tepelnou ochranu a blokování zpětného proudu.

Jak fungují elektronické pojistky eFuses

Elektronické pojistky eFuses poskytují rozsáhlejší ochranné funkce ve srovnání s běžnými pojistkami (obrázek 1). Kromě velmi rychlé ochrany proti zkratu poskytují eFuses nastavitelnou nadproudovou ochranu, nastavitelné napětí a řízení rychlosti proudu, aby se snížily náběhové proudy. Některé verze obsahují blokování zpětného proudu.

Obrázek 1: Elektronická pojistka může nahradit běžnou nebo vratnou pojistku PPTC a zároveň dokáže poskytnout další ochranné funkce a vyšší úroveň kontroly. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Jedním z hlavní části eFuse je interní výkonový MOSFET s odporem v řádu mΩ ve stavu „ON“ , a který zvládne vysoké výstupní proudy (obrázek 2). Velmi nízký odpor při běžném provozu zajišťuje, že napětí na VOUT je téměř totožné s napětím na VIN. Při detekci zkratu se MOSFET velmi rychle vypne, a když se systém vrátí do normálu, MOSFET dokáže řídit náběhový proud tak, aby nedošlo k rychlému proudovému rázu.

Obrázek 2: Výkonný MOSFET s nízkým odporem (nahoře) je hlavní část, která zajišťuje rychlou akci a pozvolný proudový náběh při opětovném spuštění. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Běžné a vratné pojistky PPTC jsou pasivní součástky s nízkou přesností. Běžné pojistky spoléhají na zahřívání, které vyžaduje čas, čímž se prodlužuje jejich reakční doba. Na druhé straně eFuse neustále monitoruje proud a jakmile dosáhne 1,6násobku nastavitelné limitní úrovně proudu, spustí se ochrana proti zkratu. eFuses sníží proud téměř na nulu za pouhých 150 až 320 ns ve srovnání s 1 sekundou nebo delší reakční dobou běžných pojistek. Tato rychlá reakční doba snižuje namáhání systému a zvyšuje robustnost celého obvodu. Protože eFuse není zničena zkratem, lze ji použít vícekrát.

Tabulka 1: eFuse poskytují vyšší rychlost ochrany, vyšší úroveň přesnosti ve srovnání s běžnými a vratnými pojistkami. (Zdroj tabulky: Toshiba)

U elektronické pojistky existují dva typy návratu z chybového stavu. Automatické obnovení znamená, že se pojistka vrátí do normálního provozu, jakmile je poruchový stav odstraněn. Obnovení s blokací znamená, že se pojistka vrátí do normálního stavu, až když je přiveden externí signál po odstranění chyby.

Výběr elektronické pojistky eFuse

Výběr vhodné pojistky se obvykle provádí na základě napájecího napětí. Pro napájení 5 až 12V jsou vhodné pojistky řady TCKE8xx. Jsou dimenzovány pro vstupní napětí až 18 voltů a proud 5 A. Mají certifikaci IEC 62368-1, splňují požadavky UL2367 a jsou dodávány v pouzdrech WSON10B. Jejich rozměry jsou 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 mm a mají 0,5 mm rozteč pinů (obrázek 5).

Obrázek 3: eFuse pojistky Toshiba jsou zabaleny v pouzdru WSON10B o rozměrech 3 mm x 3 mm a výšce 0,7 mm určenou pro povrchovou montáž (Zdroj obrázku: Toshiba)

Pojistky řady TCKE8xx nabízejí flexibilní funkce, mezi které patří nastavitelný limit nadproudu pomocí externího rezistoru, nastavitelná regulace rychlosti přeběhu pomocí externího kondenzátoru, přepěťovou a podpěťovou ochranu, tepelné vypnutí a ovládací pin pro blokování zpětného proudu tranzistoru FET.

Na výběr jsou tří úrovně přepětí:

Přepěťová ochrana funguje s přesností 7 %. Podpěťová pojistka je programovatelná pomocí externího rezistoru. Tepelné vypnutí chrání integrovaný obvod před přehřátím tím, že vypne pojistku v momentě, kdy její teplota překročí 160 °C. Pojistky s tepelnou ochranou se automaticky vrátí do původního stavu, když teplota klesne o 20°C.

Obrázek 4: Pojistky řady TCKE8xx jsou k dispozici limitem napětí 6,04 V pro 5V systémy (TCKE805), 15,1 V pro 12V systémy (TCKE812) a s nedefinovaným limitem (TCKE800). (Zdroj obrázku: Toshiba)

Pro zajištění stabilního provozu, obsahují tyto pojistky nastavení rychlosti proudové a napěťové rampy při spuštění čili při přechodu do normálního stavu(obrázek 5). Při rychlém vrácení do normálního stavu může do výstupního kondenzátoru proudit velký nárazový proud a znovu vypnout pojistku. To by mělo za následek nestabilní provoz. Externí kondenzátor na pinu dV/dT nastavuje rychlost rozběhové rampy pro napětí a proud, čímž se zabraní nežádoucímu vypínání.

Obrázek 5: Nastavení rychlost rozběhu napětí a proudu pro zajištění stabilního provozu eFuse. (Zdroj obrázku: Toshiba)

V závislosti na požadavcích aplikace lze přidat externí N-kanálový výkonový MOSFET pro blokování zpětného proudu, TVS diodu pro ochranu před vstupním přechodným napětím a Schottkyho diodu (SBD) pro ochranu před zápornými napěťovými špičkami na výstupu (obrázek 6). Blokování zpětného proudu může být užitečné v aplikacích, jako jsou diskové jednotky vyměnitelné za provozu a nabíječky baterií. Externí MOSFET je ovládán pinem EFET.

Přidání TVS diody je nutné v systémech, kde se vyskytuje přechodné napětí na napájecí sběrnici, které překračuje maximální jmenovité napětí pojistky eFuse. V některých aplikacích se může na výstupu eFuse objevit záporná napěťová špička a dioda SBD chrání integrované obvody a další zařízení na straně zátěže. Toshiba doporučuje SSM6K513NU,LF jako externí MOSFET, DF2S23P2CTC,L3F jako diodu TVS a CUHS20S30,H3F jako SBD.

Obrázek 6: Typická aplikace pro elektronickou pojistku řady TCKE8xx s diodou TVS, diodou SBD a s externím MOSFET tranzistorem. (Zdroj obrázku: Toshiba)

eFuse s vestavěným MOSFET tranzistorem a blokováním zpětného proudu

Pro aplikace s omezeným prostorem je vhodné použít elektronickou pojistku TCKE712BNL,RF, která obsahuje dva interní MOSFETy (obrázek 7). Odpor obou MOSFETů v sepnutém stavu je pouze 53 mΩ, přibližně stejně jako při použití externího blokovacího MOSFETu.

Obrázek 7: TCKE712BNL,RF eFuse obsahuje dva MOSFETy (uprostřed nahoře), které umožňují blokování zpětného proudu bez potřeby externího MOSFETu. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Ve srovnání s TCKE8xx má TCKE712BNL,RF rozsah vstupního napětí od 4,4 do 13,2 V. Pomocí pinu OVP se nastavuje úroveň přepěťové ochrany tak, aby vyhovovala specifickým potřebám daného systému. Kromě toho má TCKE712BNL přidaný pin FLAG, který poskytuje výstupní signál indikující přítomnost chybového stavu.

Závěr

Ochrana elektronických obvodů je nezbytnou otázkou všech spolehlivých elektronických zařízení. Elektronické pojistky poskytují elektronickému obvodu velmi rychlou ochranu, vysokou přesnost nastaveného limitu nadproudu a k tomu další funkce, které zvyšují stabilitu a spolehlivost obvodu.

Doporučené odkazy:

  1. How to Select and Apply Smart Current Sensing and Monitoring Technologies (Instead of Fuses)
  2. How to Design Protection Circuits Compliant for the New AV/ICT Standard IEC 62368-1

 

Článek vyšel v originále na webu DigiKey.com, autorem je Jeff Shepard.

 

Hodnocení článku: