Dlaczego i w jaki sposób skutecznie używać bezpieczników elektronicznych do ochrony obwodów wrażliwych

Bezpieczniki termiczne są z powodzeniem stosowane od ponad 150 lat jako podstawowe urządzenie ochrony obwodów. Są skuteczne, niezawodne, łatwe w użyciu i - aby spełnić różne cele projektowe - występują w różnych wariantach i z różnymi parametrami znamionowymi. Mają jednak nieuniknione wady dla projektantów wymagających ekstremalnie szybkiego odcięcia prądu, możliwości samoczynnego resetowania, a także zdolności do zadziałania przy relatywnie niskich wartościach prądu. Dla tych projektantów bezpieczniki elektroniczne - często określane jako eFuse lub e-Fuse - są doskonałym rozwiązaniem, czasami zastępującym, ale zwykle uzupełniającym bezpiecznik termiczny.

Bezpieczniki elektroniczne opierają się na prostej koncepcji pomiaru prądu poprzez zmierzenie napięcia na znanym rezystorze, a następnie wyłączania przepływu prądu przez tranzystor polowy (FET), gdy przekroczy on projektową wartość graniczną. Bezpiecznik elektroniczny charakteryzują cechy, elastyczność i funkcje, których nie ma bezpiecznik termiczny.

W niniejszym artykule opisano sposób działania bezpieczników elektronicznych. Przeanalizowano też charakterystykę, dodatkowe funkcje i efektywne wykorzystanie tych bezpieczników z obwodem aktywnym. Przedstawiono w nim także przykładowe rozwiązania firm Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage i STMicroelectronics oraz nakreślono ich efektywne wykorzystanie.

Jak działają bezpieczniki elektroniczne?

Zasada działania konwencjonalnego bezpiecznika termicznego jest prosta, dobrze znana i niezawodna: gdy prąd przepływający przez wkładkę topikową przekracza wartość projektową, wkładka ta nagrzewa się wystarczająco, aby się stopić. To powoduje przerwanie drogi przepływu prądu i natężenie prądu spada do zera. W zależności od wartości znamionowej i typu bezpiecznika, a także wielkości przeciążenia, bezpiecznik termiczny może zareagować i przerwać drogę przepływu prądu w czasie od kilkuset milisekund do kilku sekund. Oczywiście podobnie jak w przypadku wszystkich komponentów aktywnych i pasywnych, to całkowicie pasywne urządzenie o prostej zasadzie działania charakteryzuje się wieloma wariantami, niuansami i wadami.

Bezpieczniki elektroniczne natomiast działają na zupełnie innej zasadzie. Realizują niektóre z tych samych funkcji, ale mają także nowe, odmienne funkcje i cechy. Podstawowa koncepcja bezpiecznika elektronicznego jest również prosta: prąd płynący do odbiornika przechodzi przez tranzystor polowy i rezystor pomiarowy, na którym monitorowane jest napięcie. Gdy nastąpi przekroczenie zadanej wartości, logika sterująca wyłącza tranzystor polowy i odcina przepływ prądu (ilustracja 1). Tranzystor polowy, który jest połączony szeregowo z przewodem zasilającym i odbiornikiem, musi mieć bardzo niską rezystancję w stanie włączenia, aby nie wywoływał nadmiernego spadku napięcia w wyniku przepływu prądu przez rezystancję (IR) ani strat mocy.

Ilustracja 1: Gdy przez rezystor pomiarowy w bezpieczniku elektronicznym przepływa prąd z zasilania do odbiornika, jego napięcie jest monitorowane na tym rezystorze. Gdy przekroczy ono zadaną wartość, logika sterowania wyłącza tranzystor polowy (FET), blokując przepływ prądu do odbiornika. (Źródło ilustracji: ©Texas Instruments)

Mogłoby się wydawać, że bezpiecznik elektroniczny to po prostu bardziej skomplikowana, aktywna wersja klasycznego, pasywnego bezpiecznika termicznego. Chociaż to prawda, bezpiecznik elektroniczny ma również kilka unikalnych atrybutów:

• Prędkość: są to szybko działające urządzenia z czasem odcięcia rzędu mikrosekund, a niektóre z nich zaprojektowano tak, aby zapewniały reakcję nanosekundową. Jest to ważne z punktu widzenia dzisiejszych obwodów zawierających stosunkowo czułe układy scalone i komponenty pasywne.
• Podjęcie działania przy niskich prądach: bezpieczniki elektroniczne nie tylko mogą być zaprojektowane do podjęcia akcji przy niskich natężeniach prądu (rzędu 100mA lub mniejszych), ale również dobrze działają przy niskich napięciach rzędu kilku woltów. Na tych poziomach przez bezpieczniki termiczne często nie przepływają prądy wystarczające do stopienia łącznika topliwego.
• Resetowalność: w zależności od konkretnego modelu bezpiecznik elektroniczny oferuje możliwość pozostania wyłączonym po aktywacji (tzw. tryb blokady wyłączenia) lub wznowienia normalnej pracy, jeśli aktywna usterka zostanie usunięta (tryb automatycznego wznawiania pracy). To ostatnie ustawienie jest szczególnie przydatne w nieustalonych stanach prądu rozruchowego, w których nie występuje 'twarda' usterka, na przykład gdy płytka jest podłączana do zasilanej magistrali. Przydaje się również tam, gdzie wymiana bezpiecznika byłaby trudna lub kosztowna.
• Zabezpieczenie przed prądem wstecznym: w przeciwieństwie do bezpiecznika termicznego, bezpiecznik elektroniczny eFuse może również zapewnić ochronę przed prądem wstecznym. Prąd wsteczny może występować, gdy napięcie na wyjściu układu jest wyższe niż na jego wejściu. Może to mieć miejsce na przykład w przypadku zestawu redundantnych zasilaczy równoległych.
• Zabezpieczenie nadnapięciowe: dzięki dodatkowym obwodom bezpieczniki elektroniczne mogą również zapewniać zabezpieczenie przed nadnapięciem czy skokami indukcyjnymi, wyłączając tranzystor polowy (FET) po przekroczeniu przez napięcie wejściowe ustawionego punktu granicznego nadnapięcia i pozostając w stanie wyłączenia tak długo, jak ten stan nadnapięcia będzie się utrzymywać.
• Zabezpieczenie przed odwrotną polaryzacją: bezpiecznik elektroniczny może również zapewniać ochronę przed odwrotną polaryzacją, szybko odcinając przepływ prądu w przypadku podłączenia źródła odwrotnie. Przykładem jest akumulator samochodowy, który na krótką chwilę jest podłączony odwrotnie z powodu przypadkowego kontaktu z kablem.
• Wzrost szybkości narastania: niektóre zaawansowane bezpieczniki elektroniczne mogą również zapewniać zdefiniowany wzrost szybkości narastania/opadania prądu, sterując włączaniem i wyłączaniem tranzystora polowego elementu przepustowego, poprzez sterowanie zewnętrzne lub przy użyciu stałych komponentów.

Z tych powodów bezpieczniki elektroniczne są atrakcyjnym rozwiązaniem kontroli przepływu prądu. Chociaż w niektórych przypadkach można ich używać zamiast bezpieczników termicznych, oba te typy często są stosowane w połączeniu. W takim układzie bezpiecznik elektroniczny jest używany do lokalnej, szybkiej ochrony obwodów podrzędnych lub płytek drukowanych, np. w systemach z możliwością przełączania (podłączania) podczas pracy, zastosowaniach motoryzacyjnych, programowalnych sterownikach logicznych (PLC) i przy zarządzaniu ładowaniem/rozładowaniem akumulatora; pomocniczy bezpiecznik termiczny zapewnia ochronę układu przed dużymi, poważnymi awariami, w przypadku których wymagane byłoby twarde i trwałe odcięcie zasilania.

W ten sposób projektant wykorzystuje największe zalety obydwu rozwiązań: wszystkie możliwości bezpieczników elektronicznych oraz prostego, jednoznacznego działania bezpiecznika termicznego. Osiąga się to bez technicznych kompromisów lub wad. Istnieją oczywiście pewne kompromisy, jak w przypadku każdej decyzji projektowej. W tym przypadku jest to przyrostowa rozbudowa i nieco większy wykaz materiałów (BOM).