Użycie bezpieczników elektronicznych eFuse do ochrony układów

Wszechobecność urządzeń elektronicznych w domu, biurze i przemyśle stwarza potrzebę kompaktowej, taniej, szybkiej, resetowalnej i regulowanej ochrony. Jest ona coraz ważniejsza dla zapewnienia bezpieczeństwa użytkownika i maksymalnego czasu pracy urządzeń. Konwencjonalne metody wykorzystujące bezpieczniki topikowe charakteryzują się nieprecyzyjnymi prądami wyłączania i długimi czasami odpowiedzi oraz zazwyczaj są obarczone niedogodnościami związanymi z koniecznością wymiany bezpiecznika.

Chociaż możliwe jest zaprojektowanie odpowiedniego rozwiązania zabezpieczającego od podstaw, nie jest łatwo spełnić wysokie wymagania dotyczące opóźnień i precyzji w urządzeniu resetowalnym. Ponadto oczekuje się, że to samo rozwiązanie będzie teraz oferować regulowane zabezpieczenie nadprądowe, regulowaną szybkość narastania prądu rozruchowego, progowanie nadnapięć, blokowanie prądu wstecznego i zabezpieczenie termicznie. Taka konstrukcja wymaga wielu dyskretnych komponentów i kilku układów scalonych, które razem zajmują znaczną powierzchnię na płytce drukowanej, podnoszą koszty i opóźniają wprowadzenie na rynek. Poziom trudności wzrasta jeszcze bardziej ze względu na potrzebę zapewnienia wysokiego poziomu niezawodności i wymóg spełnienia międzynarodowych norm bezpieczeństwa, takich jak IEC/UL62368-1 i UL2367.

Aby sprostać tym wymaganiom i zapewnić nanosekundowe (ns) zabezpieczenie przeciwzwarciowe, projektanci mogą zastosować układy scalone z bezpiecznikami elektronicznymi eFuse, które są około milion razy szybsze niż konwencjonalne bezpieczniki topikowe lub urządzenia PPTC.

W niniejszym artykule opisano, dlaczego istnieje potrzeba szybszej, bardziej wytrzymałej, kompaktowej, niezawodnej i ekonomicznej ochrony obwodów. W jego dalszej części omówiono bezpieczniki elektroniczne eFuse oraz sposób ich działania. Następnie przedstawiono kilka opcji bezpieczników elektronicznych eFuse firmy Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation i pokazano, w jaki sposób wspierają one potrzeby projektantów w zakresie opłacalnej, kompaktowej i solidnej ochrony.

Potrzeby w zakresie ochrony obwodów

Stany nadprądowe, zwarcia, przeciążenia i przepięcia to tylko niektóre z podstawowych potrzeb w zakresie ochrony obwodów i układów elektronicznych. W stanie przetężenia przez żyłę przepływa nadmierny prąd. Może to prowadzić do wytwarzania dużej ilości ciepła i ryzyka pożaru lub uszkodzenia sprzętu. Warunki nadprądowe mogą być spowodowane zwarciami, nadmiernymi obciążeniami, błędami projektowymi, awariami komponentów oraz zwarciami łukowymi lub doziemnymi. Aby chronić obwody i użytkowników urządzeń, zabezpieczenie nadprądowe musi działać natychmiast.

Warunki przeciążenia występują, gdy nadmierny prąd nie jest niebezpieczny natychmiast, ale długoterminowe konsekwencje mogą być tak samo niebezpieczne, jak stan wysokiego przetężenia. Zabezpieczenie przeciwprzeciążeniowe jest realizowane z różnymi opóźnieniami czasowymi w zależności od poziomu przeciążenia. Wraz ze wzrostem przeciążenia opóźnienie maleje. Zabezpieczenie przeciwprzeciążeniowe można zrealizować za pomocą zwłocznych bezpieczników topikowych.

Warunki przepięciowe mogą powodować niestabilną pracę układu, a także prowadzić do wytwarzania nadmiernego ciepła i zwiększonego ryzyka wystąpienia pożaru. Przepięcia także mogą stanowić bezpośrednie zagrożenie dla użytkowników systemu lub operatorów. Podobnie jak w przypadku przetężenia, zabezpieczenie nadnapięciowe musi działać szybko, aby odciąć źródło.

W niektórych zastosowaniach wykorzystywane są dodatkowe funkcje ochrony, które wykraczają poza te podstawowe, aby zapewnić bezpieczną i stabilną pracę. Są to m.in. regulowane poziomy zabezpieczenia nadnapięciowego i nadprądowego, sterowanie prądem rozruchowym, zabezpieczenie termiczne i blokada prądu wstecznego. Różne urządzenia do ochrony obwodów mogą zaspokoić różne kombinacje potrzeb w zakresie ochrony obwodów.

Sposób działania bezpieczników elektronicznych eFuse

Układy scalone bezpieczników elektronicznych eFuse zapewniają bardziej rozbudowane funkcje zabezpieczające i wyższy poziom kontroli w porównaniu z konwencjonalnymi bezpiecznikami topikowymi i urządzeniami PPTC (ilustracja 1). Oprócz szybkiej ochrony przeciwzwarciowej, bezpieczniki elektroniczne eFuse zapewniają precyzyjne progowanie nadnapięć, regulowane zabezpieczenie nadprądowe, regulację napięcia i sterowanie szybkością narastania prądu w celu zminimalizowania prądów rozruchowych oraz włączanie termiczne. Warianty zawierają również wbudowaną blokadę prądu wstecznego.

Ilustracja 1: Bezpiecznik elektroniczny eFuse może zastąpić konwencjonalne bezpieczniki topikowe lub urządzenia PPTC oraz zapewnić dodatkowe funkcje zabezpieczające i wyższy poziom kontroli. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Jednym z elementów o kluczowym znaczeniu dla działania bezpieczników elektronicznych eFuse jest wewnętrzny tranzystor mocy MOSFET, którego rezystancja w stanie włączenia zwykle mieści się w zakresie miliomów (mΩ) i który może obsługiwać wysokie prądy wyjściowe (ilustracja 2). Podczas normalnej pracy bardzo niska rezystancja w stanie włączenia tranzystora mocy MOSFET dba o to, aby napięcie na wyjściu VOUT było prawie identyczne z napięciem na wejściu VIN. Po wykryciu zwarcia tranzystor MOSFET bardzo szybko się wyłącza, a gdy układ powraca do normy, tranzystor MOSFET jest używany do sterowania prądem rozruchowym.

Ilustracja 2: Tranzystor mocy MOSFET o małej rezystancji w stanie włączenia (u góry pośrodku) jest kluczem do zapewnienia szybkiego działania i możliwości kontrolowanego uruchamiania bezpieczników elektronicznych eFuse. (Źródło ilustracji: Toshiba)

Oprócz tranzystora mocy MOSFET do licznych korzyści działania bezpieczników elektronicznych eFuse zaliczyć można ich aktywny charakter (tabela 1). Konwencjonalne bezpieczniki topikowe i urządzenia PPTC są urządzeniami pasywnymi o niskiej dokładności jeśli chodzi o prąd wyzwalający. Ich zasada działania opiera się na prawie Joule'a, co oznacza, że wytworzenie ciepła wymaga czasu, co wydłuża ich czas reakcji. Z drugiej strony bezpiecznik elektroniczny eFuse stale monitoruje prąd, a gdy osiągnie on 1,6-krotność regulowanego poziomu ograniczenia prądu, uaktywniane jest zabezpieczenie przeciwzwarciowe. Po uruchomieniu bezpiecznika elektronicznego eFuse funkcja ultraszybkiego zabezpieczenia przeciwzwarciowego redukuje prąd do wartości bliskiej zeru w zaledwie 150 do 320ns, w porównaniu z czasem reakcji 1 sekundy lub dłuższym w bezpiecznikach topikowych i urządzeniach PPTC. Ten krótki czas reakcji zmniejsza obciążenia systemu, zwiększając jego odporność. Ponieważ bezpiecznik elektroniczny eFuse nie ulega zniszczeniu w wyniku zwarcia, może być używany wielokrotnie.

Tabela 1: Układy scalone bezpiecznika elektronicznego eFuse zapewniają większą szybkość ochrony, wyższy poziom precyzji i pełniejszy zestaw funkcji zabezpieczających w porównaniu z bezpiecznikami topikowymi i urządzeniami PPTC (przełącznikami wielobiegunowymi). (Źródło tabeli: Toshiba)

W porównaniu z konwencjonalnymi bezpiecznikami topikowymi, które są urządzeniami jednorazowego użytku, bezpieczniki elektroniczne eFuse przyczyniają się do obniżenia kosztów konserwacji oraz skrócenia czasu przywracania sprawności i naprawy. Bezpieczniki elektroniczne eFuse oferują dwa tryby przywracania sprawności po awarii: tryb automatycznego przywracania sprawności spowoduje powrót do normalnego działania po usunięciu stanu awarii, natomiast zabezpieczenie zatrzaskowe, które powraca do poprzedniego stanu po przyłożeniu zewnętrznego sygnału po usunięciu awarii. W bezpieczniku elektronicznym eFuse przewidziano także zabezpieczenie nadnapięciowe i termiczne, które nie są dostępne w konwencjonalnych bezpiecznikach topikowych czy urządzeniach PPTC.