Hoe eFuses gebruiken om compacte kortsluitings-, overspannings- en thermische beveiligingsoplossingen te ontwerpen

Met de alomtegenwoordigheid van elektronische apparatuur in huis, op kantoor en in de industrie, wordt de behoefte aan circuitbeveiliging die compact, goedkoop, snel, herinstelbaar en instelbaar is, steeds belangrijker om de veiligheid van de gebruiker en een maximale bedrijfstijd van de apparatuur te waarborgen. Conventionele zekeringsmethoden hebben te lijden onder onnauwkeurige onderbrekingsstromen en trage reactietijden en gaan meestal gepaard met het ongemak van het moeten vervangen van de zekering.

Hoewel het mogelijk is om een geschikte beveiligingsoplossing vanaf nul te ontwerpen, is het niet eenvoudig om de veeleisende latentie- en nauwkeurigheidseisen in een resettable apparaat te realiseren. Bovendien zal diezelfde oplossing nu naar verwachting ook beschikken over instelbare overstroombeveiliging, instelbare zwenksnelheid voor inschakelstroom, overspanningsklemmen, blokkering van omgekeerde stroom en thermische beveiliging. Een dergelijk ontwerp vereist talloze discrete componenten en verschillende IC's die samen een aanzienlijk oppervlak op de printplaat innemen, de kosten verhogen en de tijd om het product op de markt te brengen vertragen. De behoefte aan een hoog betrouwbaarheidsniveau en de eis om te voldoen aan internationale veiligheidsnormen zoals IEC/UL62368-1 en UL2367 maken het nog moeilijker.

Om aan deze vereisten te voldoen, kunnen ontwerpers zich in plaats daarvan wenden tot elektronische zekeringen (eFuse) IC's voor kortsluitbeveiliging in nanoseconden (ns), wat ongeveer een miljoen keer sneller is dan conventionele zekeringen of PPTC-apparaten.

In dit artikel wordt beschreven waarom snellere, robuustere, compactere, betrouwbaardere en kosteneffectievere circuitbeveiliging nodig is, voordat eFuses en hun werking worden geïntroduceerd. Vervolgens worden verschillende eFuse-opties van Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation geïntroduceerd en wordt getoond hoe deze tegemoetkomen aan de behoefte van ontwerpers aan kosteneffectieve, compacte en robuuste bescherming.

Behoefte aan circuitbeveiliging

Overstroom, kortsluiting, overbelasting en overspanning zijn enkele van de basisvereisten voor circuitbeveiliging van elektronische systemen. Tijdens een overstroomtoestand stroomt er een te hoge stroom door een geleider. Dit kan leiden tot veel warmteontwikkeling en het risico op brand of schade aan de apparatuur. Overstroom kan worden veroorzaakt door kortsluiting, overmatige belasting, ontwerpfouten, defecten aan onderdelen en boog- of aardingsfouten. Om circuits en gebruikers van apparaten te beschermen, moet overstroombeveiliging onmiddellijk werken.

Er is sprake van overbelasting als de te hoge stroom niet onmiddellijk gevaarlijk is, maar de gevolgen op lange termijn kunnen net zo onveilig zijn als een hoge overstroomtoestand. Overbelastingsbeveiliging wordt geïmplementeerd met verschillende tijdsvertragingen op basis van het niveau van de overbelasting. Naarmate de overbelastingsconditie toeneemt, neemt de vertraging af. Overbelastingsbeveiliging kan worden geïmplementeerd met tijdvertraagde of trage zekeringen.

Overspanning kan leiden tot een onstabiele werking van het systeem en kan ook leiden tot overmatige warmteontwikkeling en een verhoogde kans op brand. Overspanningen kunnen ook direct gevaar opleveren voor systeemgebruikers of operators. Net als bij overstroom moet overspanningsbeveiliging snel werken om de bron af te sluiten.

Sommige toepassingen hebben baat bij extra beveiligingsfuncties die verder gaan dan alleen de basisfuncties om een veilige en stabiele werking te garanderen, zoals instelbare niveaus van overspannings- en overstroombeveiliging, inschakelstroomregeling, thermische beveiliging en blokkering van omgekeerde stroom. Verschillende circuitbeveiligingsapparaten kunnen aan verschillende combinaties van deze circuitbeveiligingsbehoeften voldoen.

Hoe eFuses werken

eFuse IC's bieden uitgebreidere beveiligingsfuncties en hogere controleniveaus in vergelijking met conventionele zekeringen en PPTC-apparaten (Afbeelding 1). Naast snelle kortsluitbeveiliging bieden eFuses nauwkeurige overspanningsklemming, instelbare overstroombeveiliging, instelbare spanning en regeling van de zwenksnelheid van de stroom om inschakelstromen en thermische uitschakeling te minimaliseren. Versies hebben ook ingebouwde blokkering van de omgekeerde stroom.

Afbeelding 1: Een eFuse kan conventionele zekeringen of PPTC-apparaten vervangen en extra beveiligingsfuncties en een hoger controleniveau bieden. (Bron afbeelding: Toshiba)

Een van de sleutels tot de prestaties van eFuse is de interne power MOSFET met een "ON" weerstand die typisch in het milliohm (mΩ) bereik ligt en die hoge uitgangsstromen aankan (Afbeelding 2). Tijdens normaal bedrijf zorgt de zeer lage ON-weerstand van de power MOSFET ervoor dat de spanning op VOUT bijna gelijk is aan de spanning op VIN. Wanneer een kortsluiting wordt gedetecteerd, schakelt de MOSFET zeer snel uit en wanneer het systeem weer normaal functioneert, wordt de MOSFET gebruikt om de inschakelstroom te regelen.

Afbeelding 2: Een vermogens-MOSFET met lage ON-weerstand (middenboven) is essentieel voor de snelle werking en het gecontroleerd opstarten van eFuses. (Bron afbeelding: Toshiba)

Naast de vermogens-MOSFET draagt de actieve aard van eFuses bij tot hun talrijke prestatievoordelen (Tabel 1). Conventionele zekeringen en PPTC's zijn passieve apparaten met een lage nauwkeurigheid met betrekking tot de uitschakelstroom. Ze vertrouwen op Joule-verwarming die tijd nodig heeft om zich te ontwikkelen, waardoor hun reactietijden toenemen. Een eFuse daarentegen controleert de stroom constant en zodra deze 1,6 keer het instelbare stroomlimietniveau bereikt, wordt de kortsluitbeveiliging geactiveerd. Eenmaal gestart, reduceert de ultrasnelle kortsluitbeveiligingstechniek in eFuses de stroom tot bijna nul in slechts 150 tot 320 ns, vergeleken met de reactietijden van zekeringen en PPTC's van 1 seconde of langer. Deze snelle reactietijd vermindert de belasting van het systeem en verhoogt de robuustheid. Omdat een eFuse niet wordt vernietigd door kortsluiting, kan hij meerdere keren worden gebruikt.

Tabel 1: eFuse IC's bieden een hogere beveiligingssnelheid, hogere nauwkeurigheidsniveaus en een completere reeks beveiligingsfuncties in vergelijking met zekeringen en PPTC (poly switch)-apparaten. (Bron tabel: Toshiba)

Vergeleken met conventionele zekeringen, die apparaten voor eenmalig gebruik zijn, dragen eFuses bij aan lagere onderhoudskosten en minder herstel- en reparatietijd. Met eFuses zijn twee soorten herstel van foutcondities mogelijk: Automatisch herstel keert terug naar normale werking zodra de foutconditie is opgeheven, en; Vergrendelde bescherming die herstelt wanneer een extern signaal wordt toegepast nadat de fout is opgeheven. Overspanning en thermische beveiliging worden ook geleverd met eFuses, maar zijn niet mogelijk met conventionele zekeringen of PPTC's.

Selectie van eFuses

De selectie van de juiste eFuse begint meestal met de stroomrails van de toepassing. Voor stroomrails van 5 tot 12 volt zijn de eFuses uit de TCKE8xx-serie een goede optie. Ze zijn geschikt voor maximaal 18 volt ingangsspanning en 5 ampère (A), hebben een IEC 62368-1-certificaat en worden geleverd in een WSON10B-pakket van 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 mm hoog, met een pitch van 0,5 mm (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Toshiba eFuses zijn verpakt in een 3 mm x 3 mm, 0,7 mm hoge WSON10B-opbouwverpakking. (Bron afbeelding: Toshiba)

De TCKE8xx-serie biedt ontwerpers flexibiliteit, waaronder een instelbare overstroomlimiet die kan worden ingesteld met een externe weerstand, een instelbare zwenksnelheidsregeling die kan worden ingesteld met een externe condensator, overspannings- en onderspanningsbeveiliging, thermische uitschakeling en een controlepin voor een optionele externe FET die omgekeerde stroom blokkeert.

Ontwerpers hebben ook de keuze uit drie verschillende overspanningsbeveiligingsniveaus: 6,04 volt voor 5 volt systemen (bijvoorbeeld de TCKE805NL,RF), 15,1 volt voor 12 volt systemen (waaronder de TCKE812NL,RF), en zonder beugel (zoals de TCKE800NL,RF) (Afbeelding 4). Overspanningsbeveiliging is beschikbaar als auto-retry en klemmen, afhankelijk van het model, en klemniveaus worden ingesteld met een precisie van 7%. De onderspanningsvergrendeling is programmeerbaar met een externe weerstand. Thermische uitschakeling beschermt het IC tegen een te hoge temperatuur door de eFuse uit te schakelen wanneer de temperatuur 160 graden Celsius (°C) overschrijdt. Modellen met zelfherstellende thermische beveiliging starten opnieuw op wanneer de temperatuur met 20 °C daalt.

Afbeelding 4: De eFuses uit de TCKE8xx-serie zijn verkrijgbaar met klemspanningen van 6,04 volt voor 5 volt-systemen (TCKE805), 15,1 volt voor 12 volt-systemen (TCKE812) en zonder klemmen (TCKE800). (Bron afbeelding: Toshiba)

Om een stabiele werking te garanderen, hebben deze eFuses de optie voor ontwerpers om de stroom- en spanningsaanloop bij het opstarten in te stellen (Afbeelding 5). Wanneer de voeding wordt ingeschakeld, kan er een grote inschakelstroom naar de uitgangscondensator vloeien en de eFuse uitschakelen, wat een instabiele werking tot gevolg heeft. Een externe condensator op de dV/dT-pin van de eFuse stelt de opstartaanloopsnelheid in voor de spanning en stroom, waardoor hinderlijk uitschakelen wordt voorkomen.

Afbeelding 5: Ontwerpers kunnen de opstartaanloopsnelheid van de spanning en stroom instellen om een stabiele werking van de eFuse te garanderen. (Bron afbeelding: Toshiba)

Afhankelijk van de toepassingsvereisten kunnen ontwerpers een externe N-kanaals vermogens-MOSFET toevoegen voor blokkering van de omgekeerde stroom, een TVS-diode (Transient Voltage Suppression) voor bescherming tegen transiënte ingangsspanningen en een Schottky-barrièrediode (SBD) voor bescherming tegen negatieve spanningspieken aan de uitgang van de eFuse (Afbeelding 6). Het blokkeren van omgekeerde stroom kan nuttig zijn in toepassingen zoals hot-swap schijfstations en batterijladers. De externe MOSFET wordt aangestuurd door de EFET-pin.

De toevoeging van een TVS-diode is nodig in systemen die te maken hebben met voorbijgaande spanningen op de voedingsbus die de maximumwaarde van de eFuse overschrijden. In sommige toepassingen kan een negatieve spanningspiek optreden aan de uitgang van de eFuse, en de optionele SBD beschermt IC's en andere apparaten aan de belastingzijde, evenals de eFuse. Toshiba beveelt de SSM6K513NU,LF aan als externe MOSFET, de DF2S23P2CTC,L3F als TVS-diode en de CUHS20S30,H3F als SBD.

Afbeelding 6: Typische toepassing voor eFuses uit de TCKE8xx-serie met de optionele TVS voor bescherming tegen transiënte ingangsspanning, de SBD voor bescherming tegen negatieve spanningspieken op de uitgangspen en een externe MOSFET voor blokkering van omgekeerde stroom. (Bron afbeelding: Toshiba)

eFuse met ingebouwde tegenstroom blokkerende MOSFET

Voor toepassingen die de kleinst mogelijke oplossing en sperstroomblokkering nodig hebben, kunnen ontwerpers zich wenden tot de TCKE712BNL,RF eFuse die twee interne MOSFET's bevat (Afbeelding 7). Er is geen prestatieverlies verbonden aan de tweede interne MOSFET; de gecombineerde ON-weerstanden van beide MOSFET's is slechts 53 mΩ, ongeveer hetzelfde als bij het gebruik van een externe blokkerende MOSFET.

Afbeelding 7: De TCKE712BNL,RF eFuse bevat twee MOSFET's (middenboven) om sperstroomblokkering mogelijk te maken zonder dat een externe MOSFET nodig is. (Bron afbeelding: Toshiba)

Vergeleken met de ontwerpen met vaste spanning van de TCKE8xx-serie, heeft de TCKE712BNL,RF een ingangsspanningsbereik van 4,4 tot 13,2 volt. Om dit bereik van mogelijke ingangsspanningen te ondersteunen, heeft het een overspanningsbeveiligingspin (OVP) waarmee ontwerpers het overspanningsbeveiligingsniveau kunnen instellen om te voldoen aan specifieke systeembehoeften. Bovendien heeft de TCKE712BNL een toegevoegde FLAG-pin die een open drain-signaaluitgang levert die de aanwezigheid van een foutconditie aangeeft.

Conclusie

Het is van cruciaal belang dat het circuit en de gebruiker worden beschermd in elektronische systemen, vooral nu er steeds meer apparaten komen en de kans op storingen toeneemt. Tegelijkertijd moeten ontwerpers de kosten en de voetafdruk tot een minimum beperken, maximale flexibiliteit in de bescherming realiseren en voldoen aan de juiste beschermingsnormen.

Met hun ultrasnelle werking, precisie, betrouwbaarheid en herbruikbaarheid bieden eFuses ontwerpers niet alleen een krachtig, flexibel alternatief voor conventionele zekeringen en PPTC-apparaten, maar ze beschikken ook over een groot aantal ingebouwde functies die het ontwerp van circuits en gebruikersbeveiliging sterk vereenvoudigen.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Hoe slimme stroomdetectie- en bewakingstechnologieën selecteren en toepassen (in plaats van zekeringen)
2. Hoe beveiligingscircuits ontwerpen die voldoen aan de nieuwe AV/ICT-norm IEC 62368-1