Come utilizzare gli eFuse per progettare soluzioni compatte di protezione da cortocircuito, sovratensione e interruzione termica

Con l'onnipresenza dei dispositivi elettronici nelle case, negli uffici e negli ambienti industriali, la necessità di una protezione dei circuiti che sia compatta, a basso costo, ad alta velocità, ripristinabile e regolabile è sempre più importante per garantire la sicurezza dell'utente e il massimo tempo di funzionamento del dispositivo. Gli approcci convenzionali con i fusibili soffrono per le correnti di commutazione imprecise e i tempi di risposta lenti e tipicamente sono gravati dall'inconveniente di fusibili che prima o poi si bruciano e devono essere sostituiti.

Mentre è possibile progettare una soluzione di protezione adatta da zero, non è facile soddisfare gli stringenti requisiti di latenza e precisione in un dispositivo ripristinabile. Inoltre, da quella stessa soluzione ora ci si aspetta che sia anche dotata di protezione dalle sovracorrenti regolabile, velocità di variazione della corrente di inserzione regolabile, tenuta all'impulso di sovratensione, blocco della corrente inversa e protezione termica. Un tale progetto richiede numerosi componenti discreti e diversi circuiti integrati che insieme occupano un'area significativa sulla scheda CS, aumentano i costi e ritardano il time-to-market. Ad aumentare ancor più le difficoltà, c'è la necessità di alti livelli di affidabilità e l'obbligo di soddisfare gli standard internazionali di sicurezza come IEC/UL62368-1 e UL2367.

Per affrontare questi requisiti, i progettisti possono invece rivolgersi ai fusibili elettronici (eFuse) in CI per fornire una protezione dai cortocircuiti nell'ordine dei nanosecondi, ossia circa un milione di volte più veloce dei fusibili convenzionali o dei dispositivi PPTC.

Questo articolo descrive perché è necessaria una protezione dei circuiti più veloce, robusta, compatta, affidabile ed economica, prima di presentare gli eFuse e descriverne il funzionamento. Presenta quindi diverse opzioni eFuse di Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation e mostra come supportano le esigenze dei progettisti per una protezione economica, compatta e robusta.

Necessità di protezione dei circuiti

Condizioni di sovracorrente, cortocircuiti, sovraccarichi e sovratensioni sono alcune delle esigenze di base della protezione dei circuiti dei sistemi elettronici. Durante una condizione di sovracorrente, la corrente che scorre attraverso un conduttore è eccessiva. Questo può portare ad alti livelli di calore generato e al rischio di incendio o danni all'attrezzatura. Le condizioni di sovracorrente possono essere causate da cortocircuiti, carichi eccessivi, difetti nella progettazione, guasti dei componenti e guasti di arco o di massa. Per proteggere i circuiti e gli utenti dei dispositivi, la protezione da sovracorrente deve funzionare istantaneamente.

Le condizioni di sovraccarico esistono quando la corrente eccessiva non è immediatamente pericolosa, ma le conseguenze a lungo termine possono essere tanto pericolose quanto una condizione di sovracorrente elevata. La protezione da sovraccarico è implementata con vari ritardi basati sul livello di sovraccarico. Più la condizione di sovraccarico aumenta, più il ritardo diminuisce. La protezione da sovraccarico può essere implementata con fusibili ritardati o ad azione ritardata.

Le condizioni di sovratensione possono provocare un funzionamento instabile del sistema e possono anche portare alla generazione di calore eccessivo e a un maggiore potenziale di incendio. Le sovratensioni possono anche rappresentare un pericolo immediato per gli utenti o gli operatori del sistema. Come per la sovracorrente, la protezione dalle sovratensioni deve operare rapidamente per interrompere la sorgente.

Alcune applicazioni beneficiano di funzioni di protezione aggiuntive oltre a quelle di base per garantire un funzionamento sicuro e stabile, compresi i livelli regolabili di protezione da sovratensione e sovracorrente, il controllo della corrente di inserzione all'avvio, la protezione termica e il blocco della corrente inversa. Vari dispositivi di protezione dei circuiti possono soddisfare diverse combinazioni di queste esigenze di protezione dei circuiti.

Come funzionano gli eFuse?

Gli eFuse in CI forniscono funzioni di protezione più estese e livelli di controllo più elevati rispetto ai fusibili convenzionali e ai dispositivi PPTC (Figura 1). Oltre alla protezione dai cortocircuiti ad alta velocità, gli eFuse forniscono una precisa tenuta all'impulso per sovratensione, una protezione da sovracorrente regolabile, una tensione regolabile e un controllo della velocità di variazione della corrente per minimizzare le correnti di inserzione e l'arresto termico. Le versioni includono anche il blocco della corrente inversa incorporato.

Figura 1: Un eFuse può sostituire i fusibili convenzionali o i dispositivi PPTC e fornire funzioni di protezione aggiuntive e livelli di controllo più elevati. (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

Una delle chiavi di prestazione dell'eFuse è il MOSFET di potenza interno con una resistenza nello stato On tipicamente nell'ordine dei milliohm e capace di gestire alte correnti di uscita (Figura 2). Durante il funzionamento normale, la resistenza nello stato On molto bassa del MOSFET di potenza assicura che la tensione a VOUT sia quasi identica alla tensione a VIN. Quando viene rilevato un cortocircuito, il MOSFET si spegne molto rapidamente e quando il sistema torna alla normalità, il MOSFET viene utilizzato per controllare la corrente di inserzione.

Figura 2: Un MOSFET di potenza a bassa resistenza nello stato On (in alto al centro) è la chiave per fornire un'azione rapida e le capacità di avvio controllato degli eFuse. (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

Oltre al MOSFET di potenza, la natura attiva degli eFuse contribuisce ai loro numerosi vantaggi prestazionali (Tabella 1). I fusibili convenzionali e i PPTC sono dispositivi passivi con una bassa precisione rispetto alla corrente di intervento. Si basano sul riscaldamento Joule che richiede tempo per svilupparsi, aumentando i tempi di reazione. Un eFuse, invece, monitora costantemente la corrente e una volta che raggiunge 1,6 volte il livello limite di corrente regolabile, si attiva la protezione dal cortocircuito. Una volta attivata, la tecnica di protezione dal cortocircuito ad altissima velocità degli eFuse riduce la corrente quasi a zero in soli 150-320 ns, rispetto ai tempi di reazione di 1 secondo o più di fusibili e PPTC. Questo tempo di reazione veloce riduce le sollecitazioni del sistema, migliorandone la robustezza. Poiché un eFuse non viene distrutto da un cortocircuito, può essere utilizzato più volte.

Tabella 1: Gli eFuse in CI forniscono una maggiore velocità di protezione, livelli più elevati di precisione e una serie più completa di funzioni di protezione rispetto ai fusibili e ai dispositivi PPTC. (Tabella per gentile concessione di Toshiba)

Rispetto ai fusibili convenzionali, che sono dispositivi monouso, gli eFuse contribuiscono a ridurre i costi di manutenzione e i tempi di recupero e riparazione. Con gli eFuse sono disponibili due tipi di recupero da condizioni di guasto: recupero automatico che ritorna al funzionamento normale una volta che la condizione di guasto viene rimossa, e protezione sicura che recupera quando un segnale esterno viene applicato dopo aver eliminato il guasto. Anche la sovratensione e la protezione termica sono fornite con gli eFuse, ma non sono possibili con i fusibili convenzionali o i PPTC.

Selezione degli eFuse

La selezione dell'eFuse appropriato inizia tipicamente con i rail di alimentazione dell'applicazione. Per i rail di alimentazione da 5 a 12 V, gli eFuse serie TCKE8xx sono una buona scelta. Sono classificati per un ingresso fino a 18 V e 5 A, sono certificati IEC 62368-1 e sono disponibili in un contenitore WSON10B di 3,0 x 3,0 x 0,7 mm di altezza, con un passo di 0,5 mm (Figura 5).

Figura 3: Gli eFuse di Toshiba sono confezionati in un contenitore a montaggio superficiale WSON10B di 3 x 3 mm, alto 0,7 mm. (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

La serie TCKE8xx offre flessibilità ai progettisti, compreso un limite di sovracorrente regolabile impostato da un resistore esterno, un controllo della velocità di variazione regolabile impostato da un condensatore esterno, protezione da sovratensione e sottotensione, arresto termico e un pin di controllo per un FET esterno opzionale di blocco della corrente inversa.

I progettisti hanno anche la scelta di tre diversi livelli di tenuta all'impulso di sovratensione; 6,04 V per sistemi da 5 V (come TCKE805NL,RF), 15,1 V per sistemi da 12 V (compreso TCKE812NL,RF) e senza tenuta all'impulso (come TCKE800NL,RF) (Figura 4). La protezione da sovratensione è disponibile come ripetizione automatica dei tentativi e tenuta all'impulso, a seconda del modello, e i livelli di tenuta all'impulso sono impostati con una precisione del 7%. Il blocco di sottotensione è programmabile mediante un resistore esterno. L'arresto termico protegge il CI da una condizione di sovratemperatura spegnendo l'eFuse quando la temperatura supera i 160 °C. I modelli con protezione termica a recupero automatico si riavviano quando la temperatura scende di 20 °C.

Figura 4: Gli eFuse serie TCKE8xx sono disponibili con tensioni di tenuta all'impulso di 6,04 V per sistemi a 5 V (TCKE805), 15,1 V per sistemi a 12 V (TCKE812) e senza tenuta all'impulso (TCKE800). (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

Per garantire un funzionamento stabile, questi eFuse danno ai progettisti l'opzione di impostare la velocità di rampa di corrente e tensione all'avvio (Figura 5). Quando si mette sotto tensione un'apparecchiatura, un'elevata corrente di inserzione può scorrere nel condensatore di uscita e far scattare l'eFuse, con conseguente funzionamento instabile. Un condensatore esterno sul pin dV/dt dell'eFuse imposta la velocità di rampa di avvio per la tensione e la corrente, prevenendo questo intervento fastidioso.

Figura 5: I progettisti possono impostare la velocità di rampa di avvio di tensione e corrente per garantire un funzionamento stabile dell'eFuse. (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

A seconda dei requisiti dell'applicazione, i progettisti possono aggiungere un MOSFET di potenza a canale N esterno per il blocco della corrente inversa, un diodo di soppressione di tensioni transitorie (TVS) all'ingresso e un diodo a barriera Schottky (SBD) per la protezione dai picchi di tensione negativa sull'uscita dell'eFuse (Figura 6). Il blocco della corrente inversa può essere utile in applicazioni come le unità disco sostituibili a caldo e i caricabatterie. Il MOSFET esterno è controllato dal pin EFET.

L'aggiunta di un diodo TVS è necessaria nei sistemi soggetti a tensioni transitorie sul bus di alimentazione che superano il valore massimo dell'eFuse. In alcune applicazioni, un picco di tensione negativa può registrarsi sull'uscita dell'eFuse e l'SBD opzionale protegge i circuiti integrati e altri dispositivi sul lato del carico, così come l'eFuse. Toshiba consiglia SSM6K513NU,LF come MOSFET esterno, DF2S23P2CTC,L3F come diodo TVS e CUHS20S30,H3F come SBD.

Figura 6: Applicazione tipica degli eFuse serie TCKE8xx che mostra il TVS opzionale per la protezione dai transitori di tensione in ingresso, l'SBD per la protezione da picchi di tensione negativi sul pin di uscita e un MOSFET esterno per il blocco della corrente inversa. (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

eFuse con MOSFET integrato di blocco della corrente inversa

Per le applicazioni che richiedono la soluzione più piccola possibile e blocco della corrente inversa, i progettisti possono rivolgersi all'eFuse TCKE712BNL,RF che include due MOSFET interni (Figura 7). Non vi è degrado delle prestazioni con il secondo MOSFET interno: le resistenze nello stato On combinate di entrambi i MOSFET sono solo di 53 mΩ, circa come quando si usa un MOSFET di blocco esterno.

Figura 7: L'eFuse TCKE712BNL,RF include due MOSFET (in alto al centro) per abilitare il blocco della corrente inversa senza richiedere un MOSFET esterno. (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

Rispetto ai progetti a tensione fissa della serie TCKE8xx, la serie TCKE712BNL,RF ha un intervallo della tensione di ingresso da 4,4 a 13,2 V. Per supportare questo intervallo di possibili tensioni di ingresso, ha un pin di protezione da sovratensione (OVP) che permette ai progettisti di impostare il livello di protezione per soddisfare le esigenze specifiche del sistema. Inoltre, TCKE712BNL ha un pin FLAG che fornisce un'uscita di segnale a drain aperto che indica la presenza di una condizione di errore.

Conclusione

Garantire la protezione dei circuiti e degli utenti nei sistemi elettronici è fondamentale, soprattutto perché i dispositivi proliferano e il potenziale di guasto aumenta. Allo stesso tempo, i progettisti devono mantenere i costi e l'ingombro al minimo, pur garantendo la massima flessibilità della protezione e rispettando gli standard appropriati.

Con un funzionamento ultraveloce, precisione, affidabilità e riutilizzabilità, gli eFuse non solo forniscono ai progettisti un'alternativa flessibile e ad alte prestazioni ai fusibili convenzionali e ai dispositivi PPTC, ma sono anche dotati di una vasta gamma di funzioni integrate che semplificano notevolmente il compito di progettare la protezione dei circuiti e degli utenti.

Letture consigliate

1. Come selezionare e applicare le tecnologie intelligenti di rilevamento e monitoraggio della corrente (al posto dei fusibili)
2. Come progettare circuiti di protezione conformi al nuovo standard AV/ICT IEC 62368-1