Waarom en hoe effectief elektronische zekeringen te gebruiken om gevoelige circuits te beschermen?

Thermische zekeringen worden al meer dan 150 jaar met succes gebruikt als basiscircuitbeveiliging. Ze zijn effectief, betrouwbaar, gemakkelijk te gebruiken en zijn verkrijgbaar in een reeks van waarden en variaties om aan verschillende ontwerpdoelen te voldoen. Ze hebben echter onvermijdelijke tekortkomingen voor ontwerpers die op zoek zijn naar een extreem snelle stroomafsluiting, het vermogen om zichzelf te resetten en het vermogen om te functioneren bij relatief lage stroomwaarden. Voor deze ontwerpers zijn elektronische zekeringen - vaak geschreven als eFuse of e-Fuse - een uitstekende oplossing, soms ter vervanging van de thermische zekering, maar meestal als aanvulling daarop.

eFuses zijn gebaseerd op een eenvoudig concept van stroomdetectie door het meten van de spanning over een bekende weerstand en vervolgens het uitschakelen van de stroomstroom via een veld-effecttransistor (FET) wanneer deze een ontwerplimiet overschrijdt. De eFuse biedt kenmerken, flexibiliteit en functies die een thermische zekering niet kan bieden.

In dit artikel wordt beschreven hoe eFuses werken. Vervolgens worden de kenmerken, de extra functionaliteit en het effectieve gebruik van deze actieve-circuit zekeringen onderzocht. Onderweg zullen voorbeeldoplossingen van Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage en STMicroelectronics worden geïntroduceerd en zal het effectieve gebruik ervan worden geschetst.

Hoe werken eFuses?

Het werkingsprincipe van een conventionele thermische zekering is eenvoudig, bekend en betrouwbaar: wanneer de stroom door het smeltlood zijn ontwerpwaarde overschrijdt, warmt dat element voldoende op om te smelten. Dit breekt het huidige pad, en de stroom gaat naar nul. Afhankelijk van de waarde en het type van de zekering en de hoeveelheid overstroom kan een thermische zekering in enkele honderden milliseconden tot enkele seconden reageren en het stroompad openen. Natuurlijk zijn er, zoals bij alle actieve en passieve componenten, vele variaties, subtiliteiten en schakeringen van de werking beschikbaar voor dit volledig passieve apparaat dat in principe eenvoudig is.

Elektronische zekeringen daarentegen werken volgens een heel ander principe. Ze bieden een deel van dezelfde functionaliteit, maar voegen ook nieuwe, andere functies en kenmerken toe. Het basisconcept van eFuse is ook eenvoudig: de stroom naar de belasting gaat door een FET en een meetweerstand en wordt bewaakt via de spanning over die meetweerstand. Wanneer deze een vooraf ingestelde waarde overschrijdt, schakelt de besturingslogica de FET uit en onderbreekt de stroomtoevoer (Afbeelding 1). De FET, die in serie staat met de voedingslijn en de belasting, moet een zeer lage aanloopweerstand hebben, zodat hij geen overmatige stroomweerstand (IR) veroorzaakt of verspilling van vermogen.

Afbeelding 1: Bij een eFuse wordt de stroom van voeding naar belasting via een meetweerstand bewaakt via de spanning over die weerstand; wanneer deze een ingestelde waarde overschrijdt, schakelt de besturingslogica de FET uit, blokwaardoor de stroomtoevoer naar de belasting wordt geblokkeerd. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Het lijkt erop dat een eFuse gewoon een meer gecompliceerde, actieve versie is van de klassieke, passieve thermische zekering. Hoewel dat waar is, biedt de eFuse ook een aantal unieke eigenschappen:

Snelheid: Het zijn snelwerkende apparaten met afgesneden reactietijden in de orde van microseconden, waarbij sommige zijn ontworpen om een nanosecondenreactie te geven. Dit is belangrijk voor de huidige circuits met relatief gevoelige IC's en passieve componenten.

Laag stroomverbruik: Niet alleen kunnen eFuses worden ontworpen om te werken bij lage stromen (in de orde van 100 milliampère (mA) of minder), maar ze werken ook goed bij lage, eencijferige spanningen. Op deze niveaus kunnen thermische zekeringen vaak niet worden voorzien van voldoende zelfverwarmingsstroom om het smelten van hun smeltlood te induceren.

Herstelbaar: Afhankelijk van het specifieke model biedt de eFuse de keuze om uit te schakelen nadat deze is geactiveerd (vergrendelmodus genoemd), of om de normale werking te hervatten als de huidige storing wegvalt (auto-retry-modus). Deze laatste instelling is vooral nuttig in transiënte inschakelstroomsituaties waarbij er geen "harde" storing is, zoals bij het aansluiten van een printplaat op een aangedreven bus. Het is ook nuttig wanneer vervanging van de zekering moeilijk of duur zou zijn.

Omgekeerde stroombeveiliging: Een eFuse kan ook een tegenstroombeveiliging bieden, wat een thermische zekering niet kan. Omgekeerde stromen kunnen optreden wanneer de spanning aan de uitgang van het systeem hoger is dan aan de ingang. Dit kan bijvoorbeeld gebeuren met een set van redundante voedingen in parallel.

Overspanningsbeveiliging: Met wat extra schakelingen kan de eFuse ook overspanningsbeveiliging bieden tegen pieken of inductieve schokken, waarbij de FET wordt uitgeschakeld wanneer de ingangsspanning het ingestelde overspanningsuitschakelpunt overschrijdt en in de UIT-toestand blijft zolang die overspanningstoestand aanhoudt.

Bescherming tegen omgekeerde polariteit: De eFuse kan ook een beveiliging tegen omgekeerde polariteit bieden, waardoor de stroomtoevoer snel wordt afgesneden als de bron in omgekeerde richting wordt aangesloten. Een voorbeeld is een autobatterij die door het toevallige kabelcontact kortstondig in omgekeerde richting is aangesloten.

Slew rate ramping: Sommige geavanceerde eFuses kunnen ook zorgen voor een gedefinieerde uitschakel/opstart slew rate ramping: door de aan/uit-overgang van de doorlaatelement-FET te regelen, via een externe besturing of door vaste componenten te gebruiken.

Om deze redenen zijn eFuses een aantrekkelijke oplossing voor de regeling van de stroomtoevoer. Hoewel ze in sommige gevallen in plaats van thermische zekeringen kunnen worden gebruikt, zijn de twee vaak gekoppeld. In een dergelijke opstelling wordt de eFuse gebruikt voor gelokaliseerde, snel reagerende beveiliging van een subcircuit of printplaat, zoals in hot-swap (hot-plug) systemen, automotive toepassingen, programmeerbare logische controllers (PLC's), en het beheer van het laden/ontladen van de batterij; de aanvullende thermische zekering biedt bescherming op systeemniveau tegen grote, grove storingen waar een harde en permanente uitschakeling nodig is.

Op deze manier krijgt de ontwerper het beste van beide werelden, met alle mogelijkheden van eFuses plus de heldere, ondubbelzinnige werking van de thermische zekering. Dit wordt bereikt zonder technische compromissen of nadelen. Er zijn natuurlijk wat compromissen zoals bij elke ontwerpbeslissing. In dit geval is er sprake van een toenemende toename van onroerend goed en een iets grotere stuklijsten (BOM).

Het kiezen van een eFuse: Functies en toepassingen

Bij de keuze van een eFuse zijn er enkele basisparameters waarmee rekening moet worden gehouden. De top-tier overweging is, niet verrassend, het huidige niveau waarop de zekering werkt. Dit kan variëren van minder dan 1 ampère (A) tot ongeveer 10 A, evenals de maximale spanning die de zekering over de klemmen kan weerstaan. Voor sommige eFuses staat dit huidige niveau vast, terwijl het voor andere eFuses via een externe weerstand door de gebruiker kan worden ingesteld. Andere selectiefactoren zijn onder andere de reactiesnelheid, de ruststroom, de grootte (footprint) en het aantal en type benodigde externe ondersteuningscomponenten, indien van toepassing. Bovendien moeten ontwerpers rekening houden met eventuele extra functies en kenmerken van de verschillende eFuse-modellen.

PLC's zijn bijvoorbeeld een toepassing waarbij eFuses voordelig zijn in verschillende subcircuits die gevoelig zijn voor sensor-I/O en verkeerde voeding. Er zijn ook stroompieken als er draadverbindingen worden gemaakt of als er borden worden verwisseld. Een eFuse zoals de Texas Instruments TPS26620 wordt vaak gebruikt in deze 24 volt toepassingen. In Afbeelding 2 is een limiet van 500 mA aangegeven. Het werkt van 4,5 volt tot 60 volt bij maximaal 80 mA, met een programmeerbare stroombegrenzing, overspanning, onderspanning en beveiliging tegen ompoling. Het IC kan ook inschakelstroom regelen en biedt robuuste bescherming tegen omgekeerde stroom en verkeerde bedradingscondities voor zowel PLC I/O-modules als sensorvoedingen.

Afbeelding 2: De Texas Instruments TPS26620 eFuse is ingesteld op een stroomsterkte van 500 mA in deze 24 volt DC PLC-toepassing. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De timingschema's in Afbeelding 3 voor Toshiba's TCKE805, een 18 volt, 5 A eFuse, laten zien hoe een leverancier de auto-retry versus vergrendelde modi heeft geïmplementeerd. In de auto-retry mode (ingesteld door de EN/UVLO-pakketpen) voorkomt de overstroombeveiliging schade aan de eFuse en zijn belasting door het onderdrukken van het stroomverbruik in het geval van een storingssituatie.

Afbeelding 3: De Toshiba TCKE805 18 volt, 5 A eFuse maakt gebruik van een test- en herhalingscyclussequentie om te beoordelen of het veilig is om de stroom te herstellen. (Bon afbeelding: Toshiba)

Als de uitgangsstroom, ingesteld door een externe weerstand (R_LIM), de grenswaarde van de stroom (I_LIM) overschrijdt als gevolg van een belastingsfout of kortsluiting, nemen de uitgangsstroom en de uitgangsspanning af, waardoor het vermogen dat door het IC en de belasting wordt verbruikt, wordt beperkt. Wanneer de uitgangsstroom de vooraf ingestelde grenswaarde bereikt en er overstroom wordt gedetecteerd, wordt de uitgangsstroom geklemd zodat er niet meer stroom dan I_LIM vloeit. Als de overstroomsituatie in dit stadium niet wordt opgelost, wordt deze geklemde toestand gehandhaafd en blijft de temperatuur van de eFuse stijgen.

Wanneer de temperatuur van de eFuse de bedrijfstemperatuur van de thermische uitschakeling bereikt, wordt de eFuse MOSFET uitgeschakeld, waardoor de stroomtoevoer volledig wordt stopgezet. De automatische terugkeeroperatie probeert de stroomtoevoer te herstellen door de stroom te stoppen, wat de temperatuur verlaagt en de thermische uitschakeling vrijgeeft. Als de temperatuur weer stijgt, wordt de cyclus herhaald en gestopt totdat de overstroomsituatie is geëlimineerd.

De vergrendelingsmodus daarentegen klemt de uitgang tot de eFuse wordt gereset via de pin Enable (EN/UVLO) van het IC (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: In de vergrendelingsmodus wordt de Toshiba eFuse, in tegenstelling tot de auto-retry-modus, pas gereset als deze via de Enable-pen van het IC wordt ingesteld. (Bon afbeelding: Toshiba)

Sommige eFuses kunnen worden geconfigureerd om problemen met de stroomdetectie over een weerstand te overwinnen, zoals de bijbehorende IR-daling die de railspanning aan de uitgang vermindert. Zo heeft de 3,3 volt STEF033AJR van STMicroelectronics een nominale maximale stroomsterkte en een FET-on-resistentiewaarde van 3,6 A en 40 milliohms (mΩ) voor het DFN-pakket; en 2,5 A en 25 mΩ voor het flip-chippakket. In de conventionele verbinding zoals weergegeven in Afbeelding 5 kan bij hogere stroomwaarden zelfs een bescheiden IR-daling van ongeveer 15 millivolt (mV) in de toevoerrail door de onresistentie significant en zorgwekkend zijn.

Afbeelding 5: Bij de conventionele bedrading van de STEF033AJR wordt de weerstand die de grenswaarde, R-lim, vaststelt, tussen twee aangewezen klemmen geplaatst. (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Door de conventionele aansluiting te wijzigen door de weerstand tussen de positieve zijde van de grensaansluiting en de uitgangsspanningsaansluiting (_VOUT/bron) te plaatsen, wordt een Kelvin-sensorregeling toegepast die de IR-daling compenseert (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: Om de effecten van de stroomgevoelige IR-daling te verminderen, wordt de negatieve kant van de grensweerstand aangesloten op de spanningsuitgang (_VOUT/bron). (Bron afbeelding: STMicroelectronics)

Merk op dat eFuses weliswaar halfgeleiders zijn en dat ze kunnen werken tot enkelcijferige spanningen, maar dat ze niet beperkt zijn tot dat lage gebied. Bijvoorbeeld, eFuses in de Texas Instruments TPS2662x familie zijn beoordeeld voor een werking van 4,5 tot 57 volt.

eFuse: Maken of kopen?

In principe is het mogelijk om met behulp van een paar FET's, een weerstand en een inductor een basis eFuse op te bouwen uit discrete componenten. De vroegste eFuses zijn op deze manier gebouwd, waarbij de inductor twee doelen dient: het filteren van de DC-uitgang en ook het gebruik van de DC-weerstand van de wikkelingen als een meetweerstand.

Een verbeterde eFuse met meer consistente prestaties, waarbij rekening wordt gehouden met de kenmerken van de componenten en met operationele overwegingen in de praktijk, vereist echter meer dan een paar discrete componenten. Zelfs met de extra componenten kan het alleen de basisfunctionaliteit van eFuse leveren (Afbeelding 7).

Afbeelding 7: Een eFuse met basisfunctionaliteit die gebruik maakt van discrete componenten moet anticiperen en de inherente beperkingen ervan overwinnen. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

De realiteit is dat de accumulatie van actieve en passieve discrete componenten al gauw loskomt, vatbaar is voor variaties in de prestaties per eenheid en problemen heeft met betrekking tot de aanvankelijke tolerantie, de veroudering van componenten en de door de temperatuur veroorzaakte drift. Kortom, een discrete doe-het-zelfoplossing heeft veel beperkingen:

• Discrete schakelingen gebruiken over het algemeen een P-kanaal-MOSFET als doorgangselement, wat duurder is dan een N-kanaal-MOSFET met betrekking tot het bereiken van dezelfde on-weerstandswaarde (RDS_(ON)).
• Discrete oplossingen zijn inefficiënt, omdat ze onder meer vermogensdissipatie over een diode met een overeenkomstige stijging van de printplaattemperatuur omvatten.
• Het is moeilijk voor discrete circuits om een adequate thermische beveiliging voor het paselement FET op te nemen. Als gevolg daarvan moet die kritische verbetering weggelaten worden, of moet het ontwerp aanzienlijk overgedimensioneerd zijn om een geschikt veilig werkgebied (SOA) te bieden.
• Een uitgebreide discrete schakeling heeft veel componenten en veel ruimte op de printplaat nodig, en de behoefte aan robuustheid en betrouwbaarheid van het beveiligingscircuit voegt daar nog extra componenten aan toe.
• Hoewel de slew rate van de uitgangsspanning in discrete uitvoeringen instelbaar is met behulp van weerstands- en condensatorcomponenten (RC), moeten deze componenten met een zorgvuldig begrip van de poortkarakteristiek van de doorlaat-FET worden gedimensioneerd.

Zelfs als een discrete componentoplossing aanvaardbaar zou zijn, zou deze beperkt zijn in zijn mogelijkheden in vergelijking met een IC-oplossing. Dit laatste kan enkele of alle van de vele extra functies omvatten die eerder zijn genoemd, zoals te zien is in het eFuse-blokdiagram van Afbeelding 8. Bovendien is de IC-oplossing kleiner, heeft ze meer consistente en volledig gekarakteriseerde prestaties en biedt ze een implementatie "gemoedsrust" die een multicomponentoplossing niet kan bieden, en doet ze dat tegen lagere kosten. Merk op dat het TPS26620-datablad enkele tientallen prestatiegrafieken en timingdiagrammen bevat die betrekking hebben op verschillende bedrijfsomstandigheden, die allemaal moeilijk te creëren zijn voor de discrete "make"-aanpak.

Afbeelding 8: De uiterlijke eenvoud en het uiterlijk van een volledige eFuse verbergt zijn interne complexiteit, die zeer moeilijk te reproduceren zou zijn met behulp van discrete componenten. (Bron afbeelding: Texas Instruments)

Er is nog een andere belangrijke reden om een standaard eFuse IC te kopen in plaats van de DIY discrete route te nemen: wettelijke goedkeuring. Veel zekeringen - thermisch en eFuse - worden gebruikt voor veiligheidsgerelateerde functies om omstandigheden te voorkomen waarin overmatige stroom kan leiden tot oververhitting van componenten en mogelijk tot brand, of tot schade aan de gebruikers.

Alle conventionele thermische zekeringen zijn goedgekeurd door de verschillende regelgevende instanties en normen om een fail-safe stroomafsluiting te bieden wanneer ze op de juiste manier worden gebruikt. Het zou echter zeer moeilijk en tijdrovend zijn, en waarschijnlijk zelfs onmogelijk om dezelfde goedkeuringen te krijgen voor een discrete oplossing.

Daarentegen zijn veel van de eFuse IC's al goedgekeurd. Bijvoorbeeld, eFuses in de TPS2662x serie zijn UL 2367 Recognized ("Special-purpose Solid-state Overcurrent Protector") en IEC 62368-1 gecertificeerd (Audio/video, informatie en communicatietechnologie apparatuur - Deel 1: Veiligheidseisen). Ze voldoen ook aan IEC 61000-4-5 ("Elektromagnetische compatibiliteit (EMC) - Deel 4-5: Test- en meettechnieken - Overspanningsimmuniteitstest"). Om zo gecertificeerd te zijn, worden deze eFuses getest op prestaties in hun basisrol, maar ook onder omstandigheden zoals minimale en maximale bedrijfstemperaturen, minimale en maximale opslag- en transporttemperaturen, uitgebreide abnormale en duurtesten, en thermische cycli.

Conclusie

eFuses, die gebruik maken van actieve schakelingen in plaats van een smeltlood om de stroom af te snijden, helpen ontwerpers om te voldoen aan eisen die een snelle afsluiting, zelfreset en betrouwbare werking onder lage stroomcondities omvatten. Ze zijn ook voorzien van verschillende beschermingsfuncties en instelbare zwenksnelheden. Als zodanig zijn ze een waardevolle aanvulling op de engineer's kit van circuit- en systeembeveiligingscomponenten.

Zoals besproken kunnen eFuses de conventionele thermische zekeringen vervangen, hoewel ze in veel gevallen een lokale bescherming bieden en worden aangevuld met de thermische zekering. Net als de eerbiedwaardige thermische zekering zijn veel van de eFuses ook gecertificeerd voor gebruik in veiligheidsgerelateerde functies, waardoor hun veelzijdigheid en toepasbaarheid wordt vergroot.

Verder lezen

1. "IEC 62368-1 is onderweg. De nieuwe veiligheidsnorm voor ICT- en AV-apparatuur"
2. "De juiste voeding is van cruciaal belang om te voldoen aan het nieuwe IEC/UL IEC-62368-mandaat voor de veiligheid van consumentenproducten"
3. "Zekeringtutorial"
4. "Hoe kan ik slimme stroomdetectie- en bewakingstechnologieën selecteren en toepassen (in plaats van zekeringen)?