Термопредохранитель успешно используется в качестве основного устройства защиты цепей уже более 150 лет. Термопредохранители эффективны, надежны, просты в использовании и имеют различные номиналы и версии для достижения различных целей проектирования. Однако для разработчиков, желающих очень быстро прерывать ток, неизбежным недостатком термопредохранителей является их способность к самовосстановлению и работе при относительно низких токах. Для таких разработчиков электронные предохранители (часто называемые eFuse или e-Fuse) являются хорошим решением, иногда заменяющим термопредохранители, но часто дополняющим функциональность термопредохранителей.

eFuse основан на простой концепции обнаружения тока путем измерения напряжения на известном резисторе и последующего отключения тока через полевой транзистор (FET), когда оно превышает расчетный предел. eFuse предлагает возможности, гибкость и функциональность, недоступные с термопредохранителями.

В этой статье объясняется, как работают электронные предохранители. Затем изучите характеристики, дополнительные функции и способы эффективного использования предохранителей активных цепей. В то же время в этой статье также будут представлены электронные предохранители и их эффективное использование на примере решений от Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage и STMicroelectronics.

1. Как работают eFuses?

Принцип работы традиционных термопредохранителей прост, надежен и известен: когда ток, проходящий через плавкое соединение, превышает расчетное значение, элемент нагревается настолько, что плавится. Таким образом, путь тока отсекается и ток возвращается к нулю. В зависимости от номинала и типа предохранителя, а также величины сверхтока термопредохранитель может сработать и разорвать путь тока в течение периода от нескольких сотен миллисекунд до нескольких секунд. Конечно, как и в случае со всеми активными и пассивными компонентами, для этого простого, чисто пассивного устройства существует множество вариаций, деталей и затененных операций.

Напротив, электронные предохранители работают совершенно по-другому. Электронные предохранители имеют некоторые из тех же функций, но также добавляют новые функции и возможности. Основная концепция eFuse также проста: ток нагрузки проходит через полевой транзистор и сенсорный резистор и контролируется напряжением на сенсорном резисторе. Когда это напряжение превышает заданное значение, логика управления отключает полевой транзистор и отсекает путь тока (рис. 1). Полевой транзистор, включенный последовательно с линией питания и нагрузкой, должен иметь очень низкое сопротивление в открытом состоянии, чтобы не вызывать чрезмерного падения сопротивления току (IR) или потери мощности.

Рисунок 1. В электронном предохранителе, когда ток от источника к нагрузке проходит через чувствительный резистор, напряжение на резисторе контролируется; когда измеренное напряжение превышает заданное значение, логика управления открывает полевой транзистор, чтобы блокировать протекание тока; к нагрузке.

Похоже, что eFuse — это просто более совершенная активная версия классического пассивного термопредохранителя. Тем не менее, электронные предохранители также обладают некоторыми уникальными свойствами:

• Скорость: быстрый отклик, время реакции на отключение составляет микросекунды, а некоторые продукты могут достигать наносекунд. Это свойство очень важно в современных схемах, в которых используются относительно чувствительные микросхемы и пассивные компоненты.
• Работа при слабом токе: Электронные предохранители не только работают при малых токах (приблизительно 100 миллиампер (м А) или меньше), но также нормально работают при очень низких однозначных напряжениях. На этих уровнях термопредохранитель часто не получает достаточного тока самонагрева, чтобы вызвать перегорание его плавкой части.
• Сбрасываемый: в зависимости от конкретной модели eFuse может оставаться отключенным после активации (так называемый режим блокировки двери) или возвращаться в нормальное состояние после исчезновения текущей неисправности (режим автоматического перезапуска). Последняя настройка особенно полезна в ситуациях скачков переходного тока без «серьёзных» неисправностей, например, когда плата подключена к шине под напряжением. Она также полезна в ситуациях, когда замена предохранителя затруднена или дорогостояща.
• Защита от обратного тока: электронные предохранители также могут обеспечить защиту от обратного тока, чего не могут сделать термопредохранители. Обратный ток возникает, когда выходное напряжение системы превышает напряжение на ее входе. Это происходит, например, при параллельном подключении группы резервных источников питания.
• Защита от перенапряжения: с помощью некоторых дополнительных схем eFuse также может обеспечить защиту от перенапряжения для предотвращения перенапряжения или индуктивного отключения, отключая полевой транзистор, когда входное напряжение превышает запрограммированную точку отключения по перенапряжению, и оставаясь во включенном состоянии в течение всего состояния перенапряжения.
• Защита от обратной полярности: eFuse также может обеспечить защиту от обратной полярности, быстро отключая ток в случае изменения направления питания. Например, автомобильный аккумулятор может быть кратковременно подключен в обратном направлении из-за случайного контакта кабелей.
• Постепенная скорость нарастания: некоторые усовершенствованные электронные предохранители также могут обеспечивать заданную скорость нарастания тока при выключении/включении путем управления переключением между включением/выключением пассивного компонента FET с помощью внешнего управления или использования фиксированных компонентов.

Таким образом, eFuses являются привлекательным решением для контроля тока. Хотя в некоторых случаях эти устройства могут заменить термопредохранители, они часто используются парами. В такой схеме предохранители используются для обеспечения локальной быстродействующей защиты подсхем или печатных плат, например, в системах с горячей заменой, автомобильных приложениях, программируемых логических контроллерах (ПЛК) и управлении зарядом и разрядом аккумуляторов. Обеспечивает дополнительные термопредохранители на уровне системы; защита от критических неисправностей большой площади, требующих жесткого постоянного отключения,

Таким образом, конструкторы получают лучшее от обоих миров: всю функциональность электронного предохранителя плюс четкое и однозначное действие термопредохранителя. Для достижения этой цели не требуется никаких технических компромиссов и нет недостатков. Конечно, как и в любом дизайнерском решении, здесь необходимо учитывать компромиссы. В этом случае занимаемая площадь увеличивается, а спецификация материалов (BOM) будет немного больше.

2. Выберите eFuse: функции и приложения.

При выборе электронного предохранителя следует учитывать некоторые основные параметры. Очевидно, что основным фактором является уровень тока, при котором срабатывает предохранитель. Уровни тока обычно варьируются от менее 1 ампера (А) до примерно 10 А и являются максимальным напряжением на клеммах, которое может выдержать предохранитель. Для некоторых электронных предохранителей уровень тока фиксирован, а для других устройств уровень тока может быть установлен пользователем через внешний резистор. Другие факторы выбора включают скорость срабатывания, ток покоя, размер (корпус), а также количество и тип необходимых внешних вспомогательных компонентов (если таковые имеются). Кроме того, проектировщики должны учитывать любые дополнительные функции и возможности, которыми могут обладать разные модели электронных предохранителей.

Например, ПЛК — это приложение, в котором электронные предохранители очень полезны в различных подсхемах, поскольку такие схемы склонны к неправильному подключению входов/выходов датчиков и источников питания. Кроме того, скачки тока могут возникать при подключении проводов или горячей замене печатных плат. Например, в таких устройствах с напряжением 24 В обычно используется электронный предохранитель TPS26620 компании Texas Instruments. Как показано на рисунке 2, установленный предел тока составляет 500 м А. Предохранитель работает от 4,5 В до 60 В, имеет максимальный ток 80 м А и имеет программируемое ограничение тока, защиту от повышенного, пониженного напряжения и обратной полярности. Микросхема также контролирует пусковой ток и обеспечивает надежную защиту от обратного тока и неправильного подключения возбуждения для модулей PLCI/O и источников питания датчиков.

Рисунок 2: Электронный предохранитель TPS26620 компании Texas Instruments показан с настройкой тока срабатывания 500 м А в этом приложении постоянного тока 24 В.

Временная диаграмма Toshiba TCKE805 (электронный предохранитель 18 В, 5 А) на рис. 3 показывает, как один поставщик реализует режимы автоматического перезапуска и фиксации. В режиме автоматического перезапуска (устанавливается контактом корпуса EN/UVLO) защита от перегрузки по току предотвращает повреждение электронного предохранителя и нагрузки путем подавления рассеяния мощности во время неисправности.

Рис. 3. Электронный предохранитель ToshibaTCKE805 18 В, 5 А использует последовательность «тест и повторение цикла», чтобы оценить, безопасен ли ток восстановления.

Если выходной ток, установленный внешним резистором (RLIM), превышает предел тока (ILIM) из-за сбоя нагрузки или короткого замыкания, выходной ток и выходное напряжение уменьшаются, тем самым ограничивая энергопотребление ИС и нагрузки. Когда выходной ток достигает заданного предела и обнаруживается перегрузка по току, выходной ток ограничивается так, чтобы протекающий ток не превышал IIM. Если проблема перегрузки по току не решена на этом этапе, это состояние ограничения тока сохраняется, и температура электронного предохранителя продолжает расти.

Когда температура электронного предохранителя достигает рабочей температуры функции термического отключения, полевой МОП-транзистор eFuse отключается, полностью отключая ток. Функция автоматического перезапуска пытается восстановить протекание тока, блокируя его, что снижает температуру и устраняет перегрев. Если температура снова повысится, повторите вышеуказанные действия и прекратите работу, пока состояние перегрузки по току не будет устранено.

И наоборот, режим защелки фиксирует выходной сигнал до тех пор, пока электронный предохранитель не будет сброшен через контакт включения микросхемы (EN/UVLO).

Рисунок 4. В отличие от режима автоматического перезапуска, электронные предохранители Toshiba в режиме фиксации сбрасываются только при получении команды от контакта включения микросхемы.

- Некоторые электронные предохранители специально сконфигурированы для устранения проблем, связанных с определением тока на резисторе, например, падения IR, что может снизить напряжение на шине питания на выходной стороне. Например, максимальный номинальный ток и сопротивление открытого состояния полевого транзистора 3,3 В STEF033AJR от STMicroelectronics составляют 3,6 А и 40 миллиом (м Ом) соответственно. Это версия устройства в корпусе DFN, а 2,5 А и 25 м Ом — перевернутая версия. Версия чип-пакета устройства. При обычном подключении, показанном на рисунке 5, даже небольшое падение IR, составляющее около 15 милливольт (м В) на шине питания из-за сопротивления включения, может быть заметным и вызывать беспокойство при более высоких токах.

Рис. 5. В стандартной схеме подключения STEF033AJR резистор R-lim, используемый для определения предельного значения тока, расположен между двумя обозначенными клеммами.

При традиционном методе подключения резистор размещается между соединением ограничения положительного напряжения и соединением выходного напряжения (VOUT/Источник). Эта модификация позволяет добиться схемы измерения в Кельвине, которая компенсирует падение ИК-излучения (рис. 6).

Рис. 6. Чтобы уменьшить влияние падения ИК-измерения тока, отрицательный вывод токоограничивающего резистора подключается к выходу напряжения (VOUT/Source).

Обратите внимание, что хотя электронные предохранители являются полупроводниковыми устройствами и могут работать при однозначном напряжении, они не ограничиваются этой областью низкого напряжения. Например, электронные предохранители серии Texas Instruments TPS2662x рассчитаны на работу от 4,5 В до 57 В.

3. eFuse: сделать самому или купить?

В принципе, базовый eFuse можно построить из дискретных компонентов, используя несколько полевых транзисторов, резистор и катушку индуктивности. Оригинальные электронные предохранители были сделаны таким образом, в которых индуктор служил двум целям: фильтрация выходного постоянного тока и использование сопротивления его обмотки по постоянному току в качестве чувствительного резистора.

Однако для усовершенствованного электронного предохранителя со стабильными характеристиками, учитывающего характеристики компонентов и фактические условия эксплуатации, требуется нечто большее, чем просто несколько отдельных компонентов. Даже если добавить компоненты, можно реализовать только основные функции электронного предохранителя (рис. 7).

Рисунок 7. Для электронных предохранителей, в которых для выполнения своих основных функций используются дискретные компоненты, необходимо предусмотреть и преодолеть присущие им ограничения.

Фактически, по мере увеличения количества активных и пассивных дискретных компонентов устройства не только быстро становятся громоздкими, но и подвержены различиям в производительности отдельных продуктов, а также проблемам, связанным с начальными допусками, старением компонентов и температурой. Дрифт и другие сопутствующие вопросы. Подводя итог, дискретные решения, изготовленные своими руками, имеют множество ограничений:

• В дискретных схемах в качестве двухпозиционных компонентов обычно используются P-канальные МОП-транзисторы. P-канальные МОП-транзисторы дороже, чем N-канальные МОП-транзисторы с точки зрения достижения того же значения сопротивления в открытом состоянии (RDS(ON)).
• Дискретное решение неэффективно, поскольку приводит к рассеиванию мощности на диодах и соответствующему повышению температуры печатной платы.
• В дискретных схемах сложно обеспечить адекватную тепловую защиту пассивных компонентов на полевых транзисторах. Следовательно, такие критические улучшения не могли быть сделаны, или приходилось обеспечивать подходящую область SOA (SOA) путем значительного увеличения размера SOA.
• Комплексная дискретная схема требует множества компонентов и значительного пространства на плате, а для обеспечения устойчивости и надежности схемы защиты также требуются дополнительные компоненты.
• Хотя скорость нарастания выходного напряжения в дискретном полевом транзисторе можно регулировать с помощью компонентов резистор-конденсатор (RC), размер этих компонентов необходимо определять после тщательного понимания характеристик затвора пассивного полевого транзистора.
• Даже если решение с дискретными компонентами приемлемо, его функциональность все равно будет ограничена по сравнению с решением на основе интегральных схем. Последний может включать в себя некоторые или все дополнительные функции, упомянутые выше, как показано на схеме блока электронных предохранителей на рисунке 8. Кроме того, Iрешение меньше по размеру, имеет более стабильную производительность и может быть реализовано с «безопасностью» при меньших затратах, что невозможно при использовании нескольких устройств. Стоит отметить, что в книге спецификаций TPS26620 приведены десятки диаграмм производительности и временных диаграмм, охватывающих различные условия, которые сложно обеспечить дискретным методом производства.

За простым внешним видом полнофункционального электронного предохранителя скрывается его внутренняя сложность, которая невозможна при использовании дискретных компонентов. Рисунок 8

Еще одна ключевая причина купить стандартную микросхему электронного предохранителя вместо того, чтобы идти по дискретному пути, сделанному своими руками: одобрение регулирующих органов. Многие предохранители (термопредохранители и электронные предохранители) используются для функций, связанных с безопасностью, чтобы предотвратить чрезмерный ток, вызывающий перегрев компонентов и возможное возгорание или причинение вреда пользователю.

Все обычные термопредохранители одобрены различными регулирующими органами и стандартами и обеспечивают безопасное отключение тока при правильном использовании. Однако получить такие же разрешения для дискретных решений очень сложно и долго, а то и невозможно.

Напротив, многие электронные предохранители уже одобрены. Например, электронные предохранители серии TPS2662x соответствуют стандартам UL2367 «Твердотельные устройства максимальной токовой защиты специального назначения») и IEC62368-1 (Аудио/видео, оборудование информационных и коммуникационных технологий – Часть 1: Требования безопасности). Эта серия также соответствует стандарту IEC61000-4-5 («Электромагнитная совместимость (ЭМС) – Часть 4-5: Методы испытаний и измерений – Испытание на устойчивость к перенапряжению»). Для получения сертификации эти электронные предохранители проходят эксплуатационные испытания на предмет их основных функций в условиях, включая минимальные и максимальные рабочие температуры, минимальные и максимальные температуры хранения и транспортировки, обширные испытания на отклонения от нормы и долговечность, а также термоциклирование.

4. Области применения

Типичным применением является защита от короткого замыкания USB-терминалов и защита последующих микросхем. Его также можно использовать для защиты других приложений, которые должны соответствовать требованиям стандарта безопасности IEC 62368-1.

Ноутбук/мобильное приложение

Серверное приложение

Носимые устройства/приложения IOT

Другие приложения

• принтер VR/AR умный динамик USB-устройства и т. д.

5. Резюме

eFuse использует активные цепи, а не плавкие соединения для прерывания тока, помогая разработчикам удовлетворить требования к быстрому отключению, самовозврату и надежной работе в условиях низкого тока. Электронные предохранители также могут иметь различные функции защиты, а также регулируемую скорость переключения. Таким образом, эти устройства являются важным дополнением к инженерному комплекту устройств защиты цепей и систем.

Как уже говорилось выше, электронные предохранители могут заменить традиционные термопредохранители, хотя во многих случаях они используются только для местной защиты и дополняются термопредохранителями. Как и традиционные термопредохранители, многие электронные предохранители сертифицированы на выполнение функций безопасности, что расширяет универсальность и применимость.