Compacte, flexibele en nauwkeurige circuitbeveiliging die voldoet aan de IEC- en UL-veiligheidsnormen.

Apparaat- en eindgebruikerbescherming tegen potentieel schadelijke spannings-, stroom- en temperatuursomstandigheden zijn nodig in toepassingen zoals USB Type-C®-wisselstroomadapters, netwerkapparatuur en consumenten- en industriële elektronica. Het gebruik van conventionele zekeringen of thermistors met positieve temperatuurcoëfficiënt (PTC's) kan compacte oplossingen en enige bescherming bieden. Een toenemend aantal toepassingen vereist echter hogere beschermingsniveaus en meer flexibiliteit, waaronder snellere reactietijden en programmeerbare en herinstelbare overspanningsbeveiliging (OVP), overstroombeveiliging (OCP), onderspanningsvergrendeling (UVLO), overtemperatuurbeveiliging (OTP), softstart en/of blokkering van omgekeerde stroom (RCB). In het geval van USB Type-C AC-adapters is het ook noodzakelijk om fast role swapping (FRS) te ondersteunen die voldoet aan de timingvereiste gedefinieerd in de USB Power Delivery-specificatie.

Het is mogelijk beschermende circuits te ontwerpen om al deze functies uit te voeren, maar het ontwerpproces vergt tijd. Ook het verkrijgen van een UL of IEC 62368-1-veiligheidserkenning kan de doorlooptijd verder verlengen. Bovendien kan een oplossing met discrete componenten de totale omvang van de oplossing vergroten.

Om snel compacte en nauwkeurige beveiligingsfuncties te implementeren die voldoen aan UL- en IEC-veiligheidsnormen, kunnen ontwerpers zich wenden tot eFuse-regelaars. Deze geïntegreerde beschermings IC's hebben programmeerbare beschermingsdrempels ter ondersteuning van de ontwerpflexibiliteit, en de bescherming kan vergrendelend zijn of automatisch herstellen wanneer de fout wordt opgeheven. Ze hebben een lage "aan"-weerstand om de efficiëntie te maximaliseren en zijn voorzien van een softstart om inschakelstromen te minimaliseren. Sommige modellen bevatten gecertificeerde FRS-mogelijkheden voor gebruik in USB Type-C AC-adapters.

Dit artikel geeft een inleiding tot eFuses, inclusief spannings- en stroomwaarden en representatieve toepassingen. Vervolgens wordt bekeken hoe beveiligingsfuncties zoals OCP, softstart, OVP, UVLO en OTP worden geïmplementeerd. Tot slot wordt een reeks eFuse IC's van Littelfuse voorgesteld die geoptimaliseerd zijn voor specifieke toepassingen, samen met overwegingen voor systeemintegratie om de time-to-market te versnellen.

eFuse selectiecriteria

De eFuse-vereisten voor een bepaalde toepassing hangen sterk samen met de bedrijfsspanning en -stroom van het systeem. Voor laagspannings- en laagstroomsystemen tot ongeveer 5 volt gelijkstroom (V_DC) ingang en 2 ampère (A) stroom zijn doorgaans voorzieningen nodig zoals OCP, OTP, UVLO en onderdrukking van inschakelstromen (dV/dt) voor hot-swap en hot-plug-gebeurtenissen. Voor toepassingen die tussen 2 en 6 A verbruiken, met ingangsspanningen tot 24 V_DC, zijn vaak OVP, stroombegrenzing/OCP en "power good"-signalen nodig. Stroomtimers en monitors voor systeembewaking en OCP en RCB, zijn gebruikelijk in toepassingen die 6 A en hoger en spanningen van 24 V_DC en hoger gebruiken (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: eFuse-kenmerken zijn sterk gecorreleerd met de ingangsspanning (horizontale as) en ingangsstroom (verticale as) van de toepassing. (Bron afbeelding: Littelfuse)

Stroombeveiliging en softstart

Te hoge stromen kunnen ertoe leiden dat elektronische componenten hun nominale bedrijfstemperaturen overschrijden, waardoor de prestaties afnemen en de levensduur afneemt. Een stroombeschermingscircuit bewaakt de stroom (I), en als deze het ingestelde "I-limit"-niveau overschrijdt, dat boven de nominale "Iout"-bedrijfsstroom ligt, wordt de ingangsstroom eerst gedurende enkele microseconden (µs) op een vast niveau geregeld en vervolgens automatisch verlaagd tot een veilig niveau. Afhankelijk van de gebruikte eFuse kan de I-limietwaarde vast of programmeerbaar zijn. Wanneer een overstroom optreedt, vermindert de eFuse de ingangsstroom gedurende een vaste tijd, gewoonlijk enkele milliseconden (ms), en schakelt hij vervolgens weer in om te zien of de fout is verholpen.

Als de storing er nog steeds is, zal hij de stroom opnieuw automatisch regelen en verminderen, enkele ms wachten en opnieuw starten. De opeenvolging van het verminderen van de stroom en het opnieuw starten totdat de storing is opgeheven, wordt ook wel "hikmodus"-beveiliging genoemd. In geval van kortsluiting stijgt de ingangsstroom zeer snel, en de eFuse verlaagt de ingangsstroom onmiddellijk tot een veilig niveau (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: eFuses omvatten stroombegrenzing met auto-retry ter bescherming tegen excessieve belastingsstromen en kortsluitbeveiliging. (Bron afbeelding: Littelfuse)

Een softstart beperkt de inschakelstroom wanneer een apparaat wordt ingeschakeld. Zonder softstart zijn de enige beperkingen op de stroom de relatief lage impedanties van de sporen van de printplaat en de componenten. Hoge inschakelstromen kunnen het voedingscircuit of de componenten beschadigen. Bij een softstart wordt de eFuse langzaam ingeschakeld, waardoor de slewrate wordt geregeld en de inschakelstroom wordt beperkt (Afbeelding 3). De softstartsnelheid kan vast of programmeerbaar zijn.

Afbeelding 3: De softstart in een eFuse voorkomt potentieel schadelijke inschakelstromen en kan vast of programmeerbaar zijn. (Bron afbeelding: Littelfuse)

UVLO en OVP

Te veel of te weinig spanning kan ook leiden tot systeemstoringen en mogelijke schade. UVLO in een eFuse voorkomt dat het apparaat werkt als de ingangsspanning lager is dan een vooraf ingestelde drempelwaarde. Bovendien, als de ingangsspanning te langzaam stijgt, of als de voedingsbron een aanzienlijke interne weerstand heeft (zoals een batterij), kan de spanning dalen als de belastingsstroom stijgt, waardoor de spanning herhaaldelijk de UVLO-drempel overschrijdt. Als dat gebeurt, kan de UVLO-functie in oscillatie gaan. Het gebruik van een UVLO-schakeling met een hysteresis (vertraging) van ongeveer 150 tot 300 millivolt (mV) kan oscillaties elimineren en zorgen voor een soepele werking van de UVLO-functie.

OVP beschermt het apparaat tegen overbelasting of beschadiging door te hoge spanningen. Wanneer een overspanning wordt gedetecteerd, blokkeert de eFuse onmiddellijk de spanning om het systeem te beschermen en schakelt vervolgens uit. Het ontlaadt ook de uitgangscondensators naar massa via een interne weerstand. Wanneer de spanning tot een bepaalde waarde daalt, wordt de eFuse automatisch ingeschakeld (Afbeelding 4). De OVP-drempel kan vast of programmeerbaar zijn.

Afbeelding 4: Wanneer de ingangsspanning de OVP-klemwaarde bereikt, kan deze niet verder stijgen en schakelt de eFuse de uitgang uit om het systeem te beschermen. (Bron afbeelding: Littelfuse)

Thermische bescherming

Te hoge temperaturen kunnen ook leiden tot schade of een slechte werking, daarom zijn eFuses voorzien van een interne temperatuursensor. OTP wordt gewoonlijk in twee fasen uitgevoerd. De eerste is de thermische regeltemperatuur, gewoonlijk rond 125 °C, op welk punt de eFuse de stroom beperkt om te proberen de temperatuurstijging te stoppen. Als de temperatuur blijft stijgen en de junctietemperatuur van het apparaat de thermische uitschakeldrempel (TSHDN) overschrijdt - gewoonlijk ongeveer 140 °C - schakelt de eFuse uit. OTP omvat ook hysteresis, en de eFuse start opnieuw op wanneer de interne temperatuur 20 °C onder de TSHDN daalt (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: OTP bevat een hysteresis die de eFuse opnieuw start zodra de temperatuur met een vooraf bepaalde hoeveelheid is gedaald. (Bron afbeelding: Littelfuse)

Compacte 5-volt eFuses voor apparaten op batterijen

Ontwerpers van Bluetooth-headsets, wearables, tablet-pc's en andere apparaten met adaptervoeding kunnen terecht bij de LS0505EVD22 van 5 volt en 5 A in een DFN2X2_8L-pakket en de LS0504EVT233 van 5 volt en 4 A in een SOT23_3L-pakket voor compacte oplossingen met OVP, OCP en softstart (Afbeelding 6). De 50 milliohm (mΩ) inschakelweerstand van de interne schakelaar minimaliseert de vermogensdissipatie. De OVP reageert onmiddellijk bij een te hoge spanning en ontlaadt de uitgangscondensator. De stroomgrens wordt ingesteld met een externe weerstand, en de OCP werkt in hikmodus voor overstroom- of kortsluitcondities. De automatische softstartfunctie zorgt voor een soepele spanningsaanloop en beperkt de inschakelstroom tot een veilig niveau.

Afbeelding 6: De LS0504EVT233 eFuse zit in een compacte SOT23-verpakking voor gebruik in toepassingen met beperkte ruimte. (Bron afbeelding: Littelfuse)

18 volt / 5 A eFuses

De LS1205E-serie eFuses hebben een werkspanningsbereik van 2,7 tot 18 V_DC, een stroomsterkte van 5 A, en zijn geschikt voor gebruik in harde schijven, solid-state schijven en apparaten met adaptervoeding zoals notebookcomputers en netwerkapparatuur. Deze eFuses hebben een schakelaar met een aanloopweerstand van 25 mΩ en zitten in een 10-lead DFN3×3 verpakking. Zij omvatten programmeerbare softstarttijd, programmeerbare stroomgrenswaarde tot 5 A, kortsluitbeveiliging, UVLO en fold-back OTP. Er zijn twee modellen beschikbaar:

De LS1205EV heeft drie selecteerbare ingangsspanningsbereiken. De uitgangsklemspanning en de UVLO-drempels zijn gebaseerd op het geselecteerde ingangsspanningsbereik.

De LS1205EF bevat een open drain foutenindicatorfunctie die het optreden van UVLO, OVP, kortsluiting en thermische uitschakelfouten signaleert.

28-volt eFuse met RCB en FRS

Ontwerpers van notebooks en tablet computers, docking stations en netwerkapparaten die Thunderbolt of USB Type-C PD-functionaliteit met RCB en FRS nodig hebben, kunnen zich wenden tot de LS2406ERQ23 28 volt, 6 A eFuse-regelaar die OCP, OVP, kortsluiting, softstart en OTP bevat (Afbeelding 7). De vermogensschakelaar heeft een inschakelweerstand van 24 mΩ om de vermogensdissipatie tijdens normaal bedrijf te minimaliseren, de OCP-, OVP- en softstartfuncties zijn programmeerbaar, en de OTP omvat automatisch herstel wanneer het apparaat afkoelt. Deze eFuse heeft een always-on RCB-functie, ongeacht de logische status van het vrijgavesignaal (EN). FRS en de geïntegreerde in- en uitgangsontladingsfuncties voldoen aan de USB PD-specificaties.

De LS2406ERQ23 wordt geleverd in een low-profile, 16-lead QFN 2,5 millimeter (mm) x 3,2 mm pakket en is UL Erkend volgens UL/CSA 62368-1.

Afbeelding 7: Typische toepassing van de LS2406ERQ23 eFuse die reverse-current blocking en FRS voor USB Type-C PD-toepassingen ondersteunt. (Bron afbeelding: Littelfuse)

Richtlijnen voor bordindeling

Voor de LS1205E serie, evenals de LS0505EVD22 en LS0504EVT233, zijn hier enkele algemene overwegingen voor de layout van de printplaat om een succesvolle implementatie te garanderen:

• Een keramische ontkoppelingscondensator van 0,1 microfarad (µF) of groter moet worden geplaatst tussen de IN-aansluiting en de aarde (GND), en tussen de OUT-aansluiting en GND. Wanneer de inductie van het ingangsvermogen verwaarloosbaar is, zoals bij hot-plug toepassingen, is deze condensator wellicht niet nodig.
• Ontkoppelingscondensators moeten zo dicht mogelijk bij de aansluitingen IN, OUT en GND worden geplaatst, en het lusgebied dat door de verbindingen wordt gevormd, moet tot een minimum worden beperkt.
• Stroomdraden met een hoge stroomsterkte moeten minstens tweemaal de verwachte maximale stroomsterkte kunnen dragen en moeten zo kort mogelijk zijn.
• De GND-aansluiting van de eFuse moet rechtstreeks worden aangesloten op de massaplaat van de printplaat. De massaplaat van de printplaat moet een eiland of kopervlak zijn.

Alleen voor de LS1205E-serie: Plaats alle ondersteunende componenten zoals R_ILIM, condensator SS (CSS), en weerstanden voor EN, zo dicht mogelijk bij de corresponderende aansluitpin, en gebruik de kortst mogelijke spoorlengte om de andere kant van het component met GND te verbinden. De sporen moeten zo worden gelegd dat koppeling met schakelsignalen op de printplaat wordt voorkomen, en de lengte van de sporen voor de R_ILIM- en CSS-componenten moet zo kort mogelijk zijn om het effect van parasieten op de instelling van de stroomgrens en de timing van de softstart te minimaliseren.

Raadpleeg voor de LS2406ERQ23 het gegevensblad voor lay-outoverwegingen met betrekking tot de kortsluitbeveiliging van de USB Type-C-kabel en de FRS-componenten.

Conclusie

Voor de bescherming van zowel gebruikers als apparaten, en om te voldoen aan de geldende normen, kunnen ontwerpers zich wenden tot geïntegreerde beveiligde eFuse-regelaars die een verscheidenheid aan functies bieden, waaronder OVP, OCP, ULVO, OTP en blokkering van omgekeerde stroom. Met programmeerbare beschermingsdrempels en resetmogelijkheid ondersteunen eFuses ontwerpflexibiliteit, terwijl ze ook lage "aan"-weerstandsschakelaars hebben om de efficiëntie te maximaliseren en een softstart bevatten om inschakelstromen te minimaliseren. Sommige modellen omvatten gecertificeerde FRS en RCB voor gebruik in USB Type-C AC-adapters.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Hoe ontwerp je beveiligingscircuits die voldoen aan de nieuwe AV/ICT-norm IEC 62368-1?