Projektowanie

Ochrona obwodów zgodna z normami bezpieczeństwa IEC i UL

Aby szybko wdrożyć kompaktowe i dokładne funkcje ochrony, zgodne z normami bezpieczeństwa UL i IEC, projektanci mogą sięgnąć po regulatory w postaci bezpieczników elektronicznych eFuse.

W zastosowaniach, takich jak zasilacze sieciowe USB Type-C, urządzenia sieciowe oraz elektronika użytkowa i przemysłowa, konieczne jest zabezpieczenie urządzenia i użytkownika przed potencjalnie szkodliwym napięciem, prądem i temperaturą. Kompaktowym rozwiązaniem i pewnym zabezpieczeniem może być zastosowanie konwencjonalnych bezpieczników lub termistorów o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC). Jednak rosnąca liczba zastosowań wymaga wyższego poziomu ochrony i większej elastyczności, w tym krótszego czasu reakcji oraz programowanego i resetowanego zabezpieczenia nadnapięciowego (OVP), zabezpieczenia nadprądowego (OCP), blokady pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO), zabezpieczenia przed nadmierną temperaturą (OTP), płynnego uruchamiania i blokady prądu wstecznego (RCB). W przypadku zasilaczy sieciowych USB Type-C konieczna jest również obsługa funkcji szybkiej zamiany ról (FRS) zgodnej z wymaganiami dotyczącymi synchronizacji czasowej określonymi w specyfikacji USB Power Delivery.

Istnieje możliwość zaprojektowania obwodów zabezpieczających pozwalających na wdrożenie wszystkich tych funkcji, ale proces projektowania zajmuje dużo czasu. Ponadto uzyskanie certyfikatu bezpieczeństwa zgodności z normą UL lub IEC 62368-1 może wydłużyć czas wprowadzania produktu na rynek. Oprócz tego urządzenie wykorzystujące komponenty dyskretne może zwiększyć ogólną powierzchnię zajmowaną przez rozwiązanie.

Aby szybko wdrożyć kompaktowe i dokładne funkcje ochrony zgodne z normami bezpieczeństwa UL i IEC, projektanci mogą sięgnąć po regulatory w postaci bezpieczników elektronicznych eFuse. Te zintegrowane zabezpieczające układy scalone mają programowane wartości progowe zadziałania zabezpieczeń, zapewniając elastyczność projektu, przy czym wspomniane zabezpieczenia mogą być wyposażone w mechanizm zatrzaskowy lub mechanizm automatycznego przywracania stanu sprzed usterki po jej usunięciu. Charakteryzują się niską rezystancją w stanie włączenia dla maksymalizacji sprawności oraz posiadają funkcję płynnego uruchamiania, aby minimalizować początkowy prąd rozruchowy. Niektóre modele są wyposażone w certyfikowaną funkcję szybkiej zamiany ról (FRS) do użytku z zasilaczami sieciowymi USB Type-C.

Niniejszy artykuł jest wprowadzeniem do bezpieczników elektronicznych eFuse i opisuje ich parametry znamionowe napięcia oraz natężenia prądu, a także reprezentatywne zastosowania. Dodatkowo przedstawia sposób realizacji funkcji zabezpieczeń, m.in.: zabezpieczenia nadprądowego (OCP), łagodnego uruchamiania, resetowanego zabezpieczenia nadnapięciowego (OVP), blokady pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO) oraz zabezpieczenia przed nadmierną temperaturą (OTP).

Artykuł zamyka prezentacja serii układów scalonych bezpieczników elektronicznych eFuse firmy Littelfuse zoptymalizowanych pod kątem określonych zastosowań, wraz z uwagami dotyczącymi integracji z układem w celu skrócenia czasu wprowadzania produktu na rynek.


Kryteria doboru bezpieczników elektronicznych eFuse

Wymagania dotyczące bezpieczników elektronicznych eFuse dla danego zastosowania są silnie związane z napięciem roboczym i natężeniem prądu układu. W przypadku układów o niskim napięciu (do 5V=) i niskim natężeniu prądu do 2A często wymagane są takie funkcje, jak zabezpieczenie nadprądowe (OCP), zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą (OTP), blokada pracy przy zbyt niskim napięciu (UVLO) oraz ograniczenie początkowego prądu rozruchowego (dV/dt) na potrzeby możliwości przełączania i podłączania podczas pracy. W zastosowaniach pobierających od 2 do 6A, przy napięciu wejściowym do 24V= często potrzebne są: zabezpieczenie nadnapięciowe (OVP), ograniczenie natężenia prądu/zabezpieczenie nadprądowe (OCP) i sygnały potwierdzające prawidłowość zasilania. Monitory i programatory czasowe prądu do monitorowania układu i zabezpieczenia nadprądowego (OCP) oraz blokady prądu wstecznego (RCB) są powszechne w zastosowaniach wykorzystujących prądy od 6A wzwyż oraz napięcia 24V= i wyższe (ilustracja 1).

Ilustracja przedstawiająca silną korelację zestawów funkcji bezpieczników elektronicznych eFuse z napięciem wejściowym i wejściowym natężeniem prądu

Ilustracja 1: Zestawy funkcji bezpiecznika elektronicznego eFuse są silnie skorelowane z napięciem wejściowym (oś pozioma) i wejściowym natężeniem prądu (oś pionowa) układu. (Źródło ilustracji: Littelfuse)

Zabezpieczenie prądowe i płynne uruchamianie

Zbyt duże natężenie prądu może spowodować przekroczenie przez komponenty elektroniczne znamionowej temperatury roboczej, obniżenie parametrów działania i skrócenie okresu użytkowania. Prądowy obwód ochronny monitoruje natężenie prądu (I), a jeśli przekracza ono ustawiony poziom graniczny („I-limit”) powyżej znamionowego prądu roboczego na wyjściu („Iout”), prąd wejściowy jest najpierw regulowany do stałego poziomu przez kilka mikrosekund (µs), a następnie automatycznie obniżany do bezpiecznego poziomu. W zależności od używanego bezpiecznika elektronicznego eFuse, wartość graniczna „I-limit” może być stała lub programowana. W przypadku wystąpienia nadmiernego prądu bezpiecznik elektroniczny eFuse zmniejsza prąd wejściowy przez ustalony czas, zazwyczaj przez kilka milisekund (ms), a następnie włącza go ponownie, aby sprawdzić, czy usterka została usunięta.

Jeśli usterka nadal występuje, będzie on ponownie regulować i zmniejszać natężenie prądu, czekać kilka milisekund i przechodzić do uruchomienia. Sekwencja obniżania natężenia prądu i ponownego uruchamiania do czasu usunięcia usterki jest czasami nazywana „trybem hiccup”. W przypadku zwarcia prąd wejściowy wzrasta bardzo szybko, a bezpiecznik elektroniczny eFuse natychmiast zmniejsza go do bezpiecznego poziomu (ilustracja 2).

Wykres dla bezpieczników elektronicznych eFuse z funkcją ograniczania natężenia prądu i automatycznym wznowieniem pracy układu

Ilustracja 2: Bezpieczniki elektroniczne eFuse z funkcją ograniczania natężenia prądu i automatycznym wznowieniem pracy układu w celu ochrony przed nadmiernym prądem obciążeniowym i ochrony przed zwarciami. (Źródło ilustracji: Littelfuse)

Płynne uruchamianie ogranicza przepływ początkowego prądu rozruchowego po włączeniu urządzenia. Bez płynnego uruchomienia jedynymi ograniczeniami natężenia prądu są stosunkowo niskie impedancje ścieżek na płytce drukowanej i komponentów. Wysokie natężenie początkowego prądu rozruchowego może spowodować uszkodzenie obwodu zasilania lub komponentów. Płynne uruchamianie polega na powolnym włączeniu bezpiecznika elektronicznego eFuse, zapewniając sterowanie szybkością narastania i ograniczając początkowy prąd rozruchowy (ilustracja 3). Szybkość płynnego uruchamiania może być ustalona lub programowana.

Ilustracja przedstawiająca płynne uruchamianie w bezpiecznikach elektronicznych eFuse zapobiegające potencjalnie szkodliwym początkowym prądom rozruchowym

Ilustracja 3: Płynne uruchamianie w bezpiecznikach elektronicznych eFuse zapobiega potencjalnie szkodliwym początkowym prądom rozruchowym i może być ustalone lub programowane. (Źródło ilustracji: Littelfuse)

Strona: 1/3
Następna