Verwendung von elektronischen Sicherungen (eFuses) zur Entwicklung kompakter Kurzschluss-, Überspannungs- und Wärmeschutzlösungen

Angesichts der weiten Verbreitung elektronischer Geräte im Haushalt, im Büro und in der Industrie wird ein kompakter, kostengünstiger, schneller, rücksetzbarer und einstellbarer Schaltungsschutz immer wichtiger, um die Sicherheit der Benutzer und die maximale Betriebszeit der Geräte zu gewährleisten. Herkömmliche Sicherungskonzepte leiden unter ungenauen Ausschaltströmen und langsamen Reaktionszeiten und sind in der Regel mit der Unannehmlichkeit verbunden, die Sicherung ersetzen zu müssen.

Es ist zwar möglich, eine geeignete Schutzlösung von Grund auf zu entwickeln, aber es ist nicht einfach, die hohen Anforderungen an Latenzzeit und Präzision in einer rücksetzbaren Komponente zu erfüllen. Darüber hinaus soll dieselbe Lösung nun auch einen einstellbaren Überstromschutz, eine einstellbare Anstiegsgeschwindigkeit des Einschaltstroms, eine Überspannungsbegrenzung, eine Rückstromsperre und einen thermischen Schutz bieten. Ein solches Design erfordert zahlreiche diskrete Komponenten und mehrere ICs, die zusammen eine beträchtliche Fläche auf der Leiterplatte einnehmen, die Kosten erhöhen und die Markteinführung verzögern. Erschwerend kommt hinzu, dass ein hohes Maß an Zuverlässigkeit erforderlich ist und internationale Sicherheitsnormen wie IEC/UL62368-1 und UL2367 erfüllt werden müssen.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, können Entwickler stattdessen elektronische Sicherungs-ICs (eFuse) einsetzen, die einen Kurzschlussschutz im Nanosekundenbereich (ns) bieten, was etwa eine Million Mal schneller ist als herkömmliche Sicherungen oder PPTC-Bauteile.

In diesem Artikel wird beschrieben, warum ein schnellerer, robusterer, kompakterer, zuverlässigerer und kostengünstigerer Stromkreisschutz erforderlich ist, bevor eFuses und ihre Funktionsweise vorgestellt werden. Anschließend werden verschiedene eFuse-Optionen von Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation vorgestellt und gezeigt, wie sie die Anforderungen von Entwicklern an einen kostengünstigen, kompakten und robusten Schutz erfüllen.

Notwendigkeit für Schaltungsschutz

Überstrombedingungen, Kurzschlüsse, Überlastungen und Überspannungen sind einige der grundlegenden Anforderungen an den Schutz elektronischer Systeme. Bei einem Überstromzustand fließt ein übermäßig hoher Strom durch einen Leiter. Dies kann zu einer starken Hitzeentwicklung und der Gefahr eines Brandes oder einer Beschädigung der Geräte führen. Überstromzustände können durch Kurzschlüsse, übermäßige Lasten, Konstruktionsfehler, Bauteilversagen sowie Lichtbogen- oder Erdungsfehler verursacht werden. Um Stromkreise und Gerätebenutzer zu schützen, muss der Überstromschutz sofort greifen.

Überlastungszustände liegen vor, wenn der übermäßig hohe Strom nicht unmittelbar gefährlich ist, aber die langfristigen Folgen können genauso unsicher sein wie ein hoher Überstromzustand. Der Überlastschutz ist mit verschiedenen Zeitverzögerungen implementiert, die von der Höhe der Überlast abhängen. Mit zunehmender Überlast nimmt die Verzögerung ab. Der Überlastschutz kann mit zeitverzögerten oder trägen Sicherungen realisiert werden.

Überspannungszustände können zu einem instabilen Systembetrieb führen und auch zu übermäßiger Hitzeentwicklung und erhöhter Brandgefahr führen. Überspannungen können auch eine unmittelbare Gefahr für die Benutzer oder Betreiber des Systems darstellen. Wie beim Überstrom muss auch der Überspannungsschutz schnell ansprechen, um die Quelle abzuschalten.

Einige Anwendungen profitieren von zusätzlichen Schutzfunktionen, die über die grundlegenden Funktionen hinausgehen, um einen sicheren und stabilen Betrieb zu gewährleisten. Dazu gehören einstellbare Stufen des Überspannungs- und Überstromschutzes, Einschaltstromkontrolle, thermischer Schutz und Rückstromsperre. Verschiedene Stromkreisschutzeinrichtungen können unterschiedliche Kombinationen dieser Schutzanforderungen erfüllen.

Wie eFuses funktionieren

eFuse-ICs bieten im Vergleich zu herkömmlichen Sicherungen und PPTC-Bauteilen umfangreichere Schutzfunktionen und ein höheres Maß an Kontrolle (Abbildung 1). Zusätzlich zum schnellen Kurzschlussschutz bieten eFuses eine präzise Überspannungsbegrenzung, einen einstellbaren Überstromschutz, eine einstellbare Spannung und eine Steuerung der Stromanstiegsgeschwindigkeit zur Minimierung von Einschaltströmen und thermischer Abschaltung. In einigen Versionen ist auch eine Rückstromsperre eingebaut.

Abbildung 1: Eine eFuse kann herkömmliche Sicherungen oder PPTC-Komponenten ersetzen und bietet zusätzliche Schutzfunktionen und ein höheres Maß an Kontrolle. (Bildquelle: Toshiba)

Einer der Schlüssel zur Performance von eFuses ist der interne Leistungs-MOSFET mit einem Durchlasswiderstand, der typischerweise im Milliohm-Bereich (mΩ) liegt und hohe Ausgangsströme handhaben kann (Abbildung 2). Im Normalbetrieb sorgt der sehr niedrige Durchlasswiderstand des Leistungs-MOSFET dafür, dass die Spannung an VOUT nahezu identisch mit der Spannung an VIN ist. Wenn ein Kurzschluss erkannt wird, schaltet der MOSFET sehr schnell ab, und wenn das System wieder in den Normalzustand zurückkehrt, wird der MOSFET zur Steuerung des Einschaltstroms verwendet.

Abbildung 2: Ein Leistungs-MOSFET mit niedrigem Durchlasswiderstand (oben in der Mitte) ist der Schlüssel zu den schnellen und kontrollierten Startfunktionen von eFuses. (Bildquelle: Toshiba)

Neben dem Leistungs-MOSFET trägt auch der aktive Charakter der eFuses zu ihren zahlreichen Leistungsvorteilen bei (Tabelle 1). Herkömmliche Sicherungen und PPTCs sind passive Komponenten mit einer geringen Genauigkeit in Bezug auf den Auslösestrom. Sie sind auf die Joule-Erwärmung angewiesen, die Zeit braucht, um sich zu entwickeln, was ihre Reaktionszeit verlängert. Eine eFuse hingegen überwacht ständig den Strom, und sobald dieser das 1,6-fache des einstellbaren Stromgrenzwerts erreicht, wird der Kurzschlussschutz ausgelöst. Einmal ausgelöst, reduziert die ultraschnelle Kurzschlussschutztechnik in eFuses den Strom in nur 150 bis 320 ns auf nahezu Null, verglichen mit den Reaktionszeiten von Schmelzsicherungen und PPTCs von 1 Sekunde oder länger. Diese schnelle Reaktionszeit verringert die Belastung des Systems und erhöht die Robustheit. Da eine eFuse durch einen Kurzschluss nicht zerstört wird, kann sie mehrfach verwendet werden.

Tabelle 1: eFuse-ICs bieten im Vergleich zu Schmelzsicherungen und PPTC-(Poly-Switch)-Komponenten eine schnellere Schutzgeschwindigkeit, höhere Präzision und eine vollständigere Palette an Schutzfunktionen. (Tabellenquelle: Toshiba)

Im Vergleich zu herkömmlichen Sicherungen, die nur einmal verwendet werden können, tragen eFuses zu geringeren Wartungskosten und kürzeren Wiederherstellungs- und Reparaturzeiten bei. Bei eFuses gibt es zwei Arten der Wiederherstellung von Fehlerzuständen: Die automatische Wiederherstellung kehrt zum Normalbetrieb zurück, sobald der Fehlerzustand beseitigt ist, und der Schutz mit Verriegelung, der aufgehoben wird, wenn ein externes Signal angelegt wird, nachdem der Fehler beseitigt wurde. Überspannungs- und Wärmeschutz sind mit eFuses ebenfalls gegeben, was mit herkömmlichen Sicherungen oder PPTCs nicht möglich ist.

Auswahl von eFuses

Die Auswahl der geeigneten eFuse beginnt in der Regel mit den Stromschienen der Anwendung. Für 5- bis 12-Volt-Stromschienen sind die eFuses der Serie TCKE8xx eine gute Wahl. Sie sind für eine Eingangsspannung von bis zu 18 Volt und 5 Ampere (A) ausgelegt, sind nach IEC 62368-1 zertifiziert und werden in einem WSON10B-Gehäuse mit den Abmessungen 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 mm Höhe und einem Raster von 0,5 mm geliefert (Abbildung 3).

Abbildung 3: eFuses von Toshiba sind in einem 3 mm x 3 mm großen und 0,7 mm hohen WSON10B-Gehäuse zur Oberflächenmontage untergebracht. (Bildquelle: Toshiba)

Die Serie TCKE8xx bietet hohe Flexibilität, einschließlich einer einstellbaren Überstromgrenze, die über einen externen Widerstand eingestellt werden kann, einer einstellbaren Anstiegsgeschwindigkeitskontrolle, die über einen externen Kondensator eingestellt werden kann, einem Über- und Unterspannungsschutz, einer thermischen Abschaltung und einem Steuerpin für einen optionalen externen Rückstromsperr-FET.

Außerdem stehen drei verschiedenen Überspannungs-Klemmstufen zur Wahl: 6,04 Volt für 5-Volt-Systeme (z. B. TCKE805NL,RF), 15,1 Volt für 12-Volt-Systeme (einschließlich TCKE812NL,RF) und ohne Klemmung (wie TCKE800NL,RF) (Abbildung 4). Der Überspannungsschutz ist je nach Modell als Auto-Retry und Klemmung verfügbar, und die Klemmwerte werden mit einer Genauigkeit von 7 % eingestellt. Die Unterspannungssperre ist über einen externen Widerstand programmierbar. Die thermische Abschaltung schützt den IC vor Übertemperatur, indem sie die eFuse abschaltet, wenn ihre Temperatur 160 Grad Celsius (°C) überschreitet. Modelle mit automatischem Neustart für den Wärmeschutz starten neu, wenn die Temperatur um 20 °C sinkt.

Abbildung 4: Die eFuses der TCKE8xx-Serie sind mit Klemmspannungen von 6,04 Volt für 5-Volt-Systeme (TCKE805), 15,1 Volt für 12-Volt-Systeme (TCKE812) und ohne Klemmung (TCKE800) erhältlich. (Bildquelle: Toshiba)

Um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten, bieten diese eFuses die Möglichkeit, die Strom- und Spannungsrampen beim Einschalten einzustellen (Abbildung 5). Beim Einschalten der Stromversorgung kann ein großer Einschaltstrom in den Ausgangskondensator fließen und die eFuse auslösen, was zu einem instabilen Betrieb führt. Ein externer Kondensator am dV/dT-Pin der eFuse legt die Einschaltrampe für Spannung und Strom fest und verhindert so Fehlauslösungen.

Abbildung 5: Entwickler können die Anlauframpe für Spannung und Strom einstellen, um einen stabilen Betrieb der eFuse zu gewährleisten. (Bildquelle: Toshiba)

Je nach den Anforderungen der Anwendung kann ein externer N-Kanal-Leistungs-MOSFET zur Sperrung des Rückstroms, eine Diode zur Unterdrückung transienter Eingangsspannungen (TVS-Diode) und eine Schottky-Sperrschichtdiode (SBD) zum Schutz vor negativen Spannungsspitzen am Ausgang der eFuse hinzugefügt werden (Abbildung 6). Die Sperrung von Rückstrom kann bei Anwendungen wie Hot-Swap-Festplattenlaufwerken und Batterieladegeräten nützlich sein. Der externe MOSFET wird über den EFET-Pin gesteuert.

Der Einsatz einer TVS-Diode ist in Systemen erforderlich, in denen transiente Spannungen auf dem Versorgungsbus auftreten, die den maximalen Nennwert der eFuse überschreiten. In einigen Anwendungen kann am Ausgang der eFuse eine negative Spannungsspitze auftreten, und die optionale SBD schützt ICs und andere Komponenten auf der Lastseite sowie die eFuse. Toshiba empfiehlt den SSM6K513NU,LF als externen MOSFET, die DF2S23P2CTC,L3F als TVS-Diode und die CUHS20S30,H3F als SBD.

Abbildung 6: Typische Anwendung für eFuses der Serie TCKE8xx mit der optionalen TVS-Diode zum Schutz vor transienten Eingangsspannungen, der SBD zum Schutz vor negativen Spannungsspitzen am Ausgangspin und einem externen MOSFET zur Sperrung von Rückstrom. (Bildquelle: Toshiba)

eFuse mit eingebautem Rückstromsperr-MOSFET

Für Anwendungen, die eine möglichst kleine Lösung und Rückstromsperre benötigen, können Entwickler auf die eFuse TCKE712BNL,RF zurückgreifen, die zwei interne MOSFETs enthält (Abbildung 7). Der zweite interne MOSFET bringt keine Leistungseinbußen mit sich; die kombinierten Durchlasswiderstände beider MOSFETs betragen nur 53 mΩ, was in etwa dem Wert bei Verwendung eines externen Sperr-MOSFETs entspricht.

Abbildung 7: Die eFuse TCKE712BNL,RF enthält zwei MOSFETs (oben in der Mitte), die eine Sperrung des Rückstroms ermöglichen, ohne dass ein externer MOSFET erforderlich ist. (Bildquelle: Toshiba)

Im Vergleich zu den Festspannungsdesigns der Serie TCKE8xx bietet die TCKE712BNL,RF einen Eingangsspannungsbereich von 4,4 bis 13,2 Volt. Um diesen Bereich möglicher Eingangsspannungen zu unterstützen, verfügt sie über einen Überspannungsschutz-Pin (OVP), der es ermöglicht, den Überspannungsschutzlevel so einzustellen, dass er den spezifischen Systemanforderungen gerecht wird. Darüber hinaus verfügt die TCKE712BNL über einen zusätzlichen FLAG-Pin, der einen Open-Drain-Signalausgang bereitstellt, der das Vorliegen eines Fehlerzustands anzeigt.

Fazit

Der Schutz von Schaltkreisen und Anwendern in elektronischen Systemen ist von entscheidender Bedeutung, vor allem, da die Zahl der Geräte zunimmt und die Gefahr von Fehlern steigt. Gleichzeitig müssen Kosten und Platzbedarf so gering wie möglich gehalten und ein Höchstmaß an Schutzflexibilität erreicht sowie angemessene Schutzstandards erfüllt werden.

Mit ihrem ultraschnellen Betrieb, ihrer Präzision, Zuverlässigkeit und Wiederverwendbarkeit bieten eFuses nicht nur eine leistungsstarke und flexible Alternative zu herkömmlichen Sicherungen und PPTC-Bauteilen, sondern sie verfügen auch über eine breite Palette integrierter Funktionen, die die Entwicklung von Schaltkreisen und Anwenderschutz erheblich vereinfachen.

Empfohlene Lektüre

1. Auswahl und Verwendung intelligenter Stromerfassungs- und Überwachungstechnologien (anstelle von Sicherungen)
2. Entwurf von Schutzschaltungen gemäß der neuen AV/ICT-Norm IEC 62368-1