Perché e come utilizzare efficacemente i fusibili elettronici per proteggere i circuiti sensibili

I fusibili termici sono ampiamente utilizzati da oltre 150 anni come dispositivi di base per la protezione dei circuiti. Sono efficaci, affidabili, facili da usare e sono disponibili in una gamma di valori e varianti per soddisfare i diversi obiettivi di progettazione. Tuttavia, presentano inevitabili carenze per i progettisti che cercano un'interruzione di corrente estremamente veloce, la capacità di autoripristino, così come la capacità di funzionare a valori di corrente relativamente bassi. Per questi progettisti, i fusibili elettronici - spesso detti eFuse - sono un'ottima soluzione che talvolta sostituisce, ma di solito integra, un fusibile termico.

Gli eFuse si basano su un semplice concetto di rilevamento della corrente misurando la tensione attraverso un resistore noto, poi spegnendo il flusso di corrente attraverso un transistor ad effetto di campo (FET) quando supera un limite di progetto. L'eFuse offre caratteristiche, flessibilità e funzioni che un fusibile termico non può fornire.

Questo articolo descrive il funzionamento degli eFuse. Esplorerà quindi le caratteristiche, le funzionalità aggiuntive e l'uso efficace di questi fusibili a circuito attivo. Lungo il percorso, verranno introdotte soluzioni di esempio di Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage e STMicroelectronics e ne verrà delineato l'effettivo utilizzo.

Come funzionano gli eFuse?

Il principio di funzionamento di un fusibile termico convenzionale è semplice, noto e affidabile: quando la corrente che passa attraverso la piastrina fusibile supera il suo valore di progetto, l'elemento si riscalda quanto basa per fondersi. In questo modo si interrompe il percorso della corrente e la corrente va a zero. A seconda della portata e del tipo di fusibile e della quantità di sovracorrente, un fusibile termico può reagire e aprire il percorso della corrente in qualche centinaia di millisecondi fino a diversi secondi. Naturalmente, come per tutti i componenti attivi e passivi, ci sono molte varianti, sottigliezze e sfumature di funzionamento per questo dispositivo interamente passivo, semplice almeno in linea di principio.

Al contrario, i fusibili elettronici funzionano secondo un principio molto diverso. Forniscono alcune delle stesse funzionalità, ma aggiungono anche funzioni e caratteristiche nuove e diverse. Anche il concetto di base di eFuse è semplice: la corrente verso il carico passa attraverso un FET e un resistore di rilevamento e viene monitorata attraverso la tensione attraverso quel resistore di rilevamento. Quando supera un valore preimpostato, la logica di controllo spegne il FET e interrompe il flusso di corrente (Figura 1). Il FET, che è in serie con la linea di alimentazione e il carico, deve avere una resistenza On molto bassa in modo da non indurre un'eccessiva caduta della corrente-resistenza (IR) o uno spreco di potenza.

Figura 1: In un eFuse, quando la corrente dall'alimentazione al carico passa attraverso un resistore di rilevamento, viene monitorata attraverso la tensione che attraversa quel resistore; quando supera un valore impostato, la logica di controllo spegne il FET, bloccando il flusso di corrente al carico. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Può sembrare che un eFuse sia semplicemente una versione più complicata e attiva del classico fusibile termico passivo. È vero, ma un eFuse offre anche alcuni attributi unici:

Velocità: gli eFuse sono dispositivi a intervento rapido con tempi di reazione nell'ordine di pochi microsecondi; alcuni sono progettati per fornire una risposta entro pochi nanosecondi. Questo è importante per i progetti odierni con circuiti integrati relativamente sensibili e componenti passivi.

Funzionamento a bassa corrente: gli eFuse possono essere progettati non solo per funzionare a basse correnti (100 mA o meno), ma funzionano bene anche a tensioni molto basse. A questi livelli, i fusibili termici spesso non possono essere alimentati con sufficiente corrente di auto-riscaldamento per indurre la fusione della piastrina fusibile.

Ripristinabile: a seconda del modello specifico, un eFuse offre la scelta di rimanere spento dopo l'attivazione (modalità di blocco) o di riprendere il normale funzionamento se il guasto attuale si attenua (modalità di riprova automatica). Quest'ultima impostazione è particolarmente utile in situazioni con corrente transitoria di inserzione in cui non vi è un guasto "permanente", ad esempio quando si inserisce una scheda in un bus alimentato. È utile anche nei casi in cui la sostituzione del fusibile sarebbe difficile o costosa.

Protezione da inversione di corrente: un eFuse può anche fornire una protezione contro l'inversione di corrente, cosa che un fusibile termico non può fare. Le correnti inverse possono verificarsi quando la tensione all'uscita del sistema è superiore a quella all'ingresso. Ciò può avvenire, ad esempio, con un insieme di alimentatori ridondanti in parallelo.

Protezione dalle sovratensioni: con alcuni circuiti aggiuntivi, l'eFuse può anche fornire protezione dalle sovratensioni o da picchi induttivi, spegnendo il FET quando la tensione di ingresso supera il punto di intervento di sovratensione impostato, e rimanendo nella condizione OFF fintantoché persiste tale condizione di sovratensione.

Protezione da polarità inversa: l'eFuse può anche fornire una protezione contro la polarità inversa, interrompendo rapidamente il flusso di corrente se la sorgente viene collegata invertita. Un esempio è una batteria auto che viene collegata al contrario per un istante a causa di un contatto accidentale del cavo.

Rampa della velocità di variazione: alcuni eFuse avanzati possono anche fornire una definita rampa della velocità di variazione della corrente di spegnimento/alimentazione controllando la transizione on/off dell'elemento passante FET, tramite un controllo esterno o utilizzando componenti fissi.

Per questi motivi, gli eFuse sono una soluzione interessante per il controllo del flusso di corrente. Anche se in alcuni casi possono essere utilizzati al posto dei fusibili termici, i due sono spesso accoppiati. In tale disposizione, l'eFuse è utilizzato per la protezione localizzata di risposta rapida di un sottocircuito o di una scheda CS, come nei sistemi di sostituzione a caldo/inserimento a caldo, nelle applicazioni automotive, nei controllori logici programmabili (PLC) e nella gestione della carica/scarica della batteria; il fusibile termico complementare fornisce una protezione a livello di sistema contro i grandi e gravi guasti dove è necessario lo spegnimento permanente.

In questo modo, il progettista ottiene il meglio dei due mondi, con tutte le capacità degli eFuse più il chiaro e inequivocabile funzionamento del fusibile termico. Tutto questo senza compromessi tecnici o svantaggi. Ci sono, naturalmente, alcuni compromessi, come per qualsiasi decisione progettuale. In questo caso si tratta di un aumento incrementale dello spazio e di una distinta base leggermente più grande.

Scegliere un eFuse: funzioni e applicazioni

Ci sono alcuni parametri di base da considerare nella scelta di un eFuse. La prima considerazione è, non a caso, il livello di corrente al quale agisce il fusibile. Questo tipicamente può variare da meno di 1 A fino a circa 10 A, così come la tensione massima che il fusibile può sopportare attraverso i suoi terminali. Per alcuni eFuse, questo livello di corrente è fisso, mentre per altri può essere impostato dall'utente tramite un resistore esterno. Altri fattori di selezione includono la velocità di risposta, la corrente di quiescenza, le dimensioni (ingombro) e il numero e il tipo di componenti di supporto esterno necessari, se presenti. Inoltre, i progettisti devono prendere in considerazione eventuali caratteristiche e funzioni aggiuntive che possono offrire i diversi modelli di eFuse.

Ad esempio, nei PLC i fusibili elettronici sono utili in diversi sottocircuiti che possono essere soggetti a errori di collegamento degli I/O dei sensori o dell'alimentazione. Ci sono anche picchi di corrente quando vengono effettuati i collegamenti dei fili o nella sostituzione a caldo delle schede. Un eFuse come TPS26620 di Texas Instruments è utilizzato spesso in queste applicazioni a 24 V. Nella Figura 2 è impostato su un limite di 500 mA. Funziona da 4,5 V a 60 V fino a 80 mA, con un limite di corrente programmabile, protezioni da sovratensione, sottotensione e polarità inversa. Il CI può anche controllare la corrente di inserzione e fornire una robusta protezione contro la corrente inversa e il cablaggio errato sul campo sia per i moduli I/O che per gli alimentatori dei sensori del PLC.

Figura 2: L'eFuse TPS26620 di Texas Instruments è impostato per intervenire a una corrente di 500 mA in questa applicazione PLC a 24 V c.c. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

I diagrammi temporali in Figura 3 per TCKE805 di Toshiba, un eFuse a 18 V, 5 A, mostrano come il fornitore abbia implementato le modalità di riprova automatica rispetto a quella di blocco. Nella modalità di riprova automatica (impostata dal pin EN/UVLO), la funzione di protezione dalle sovracorrenti impedisce di danneggiare l'eFuse e il suo carico sopprimendo il consumo di energia in caso di guasto.

Figura 3: L'eFuse TCKE805 a 18 V, 5 A di Toshiba utilizza una sequenza ciclica di test per valutare se è sicuro ripristinare il flusso di corrente. (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

Se la corrente di uscita, impostata da un resistore esterno (R_LIM), supera il valore di corrente limite (I_LIM) a causa di un errore del carico o di un cortocircuito, la corrente di uscita e la tensione di uscita diminuiscono, limitando così la potenza consumata dal CI e dal carico. Quando la corrente di uscita raggiunge il valore limite preimpostato e viene rilevata una sovracorrente, la corrente di uscita viene bloccata in modo che non scorra più corrente di I_LIM. Se la situazione di sovracorrente non viene risolta in questa fase, questa viene mantenuta e la temperatura dell'eFuse continua ad aumentare.

Quando la temperatura di eFuse raggiunge la temperatura di funzionamento della funzione di arresto termico, il MOSFET eFuse si spegne, interrompendo completamente il flusso di corrente. L'operazione di riprova automatica tenta di ripristinare il flusso di corrente fermando la corrente, che abbassa la temperatura e rilascia l'arresto termico. Se la temperatura sale di nuovo, il ciclo si ripete e interrompe l'operazione fino a quando la situazione di sovracorrente non viene eliminata.

Per contro, la modalità di blocco blocca l'uscita fino a quando l'eFuse non viene ripristinato tramite il pin EN/UVLO del CI (Figura 4).

Figura 4: In modalità di blocco, a differenza della modalità di riprova automatica, l'eFuse di Toshiba non si ripristina fino a quando non viene indirizzato a farlo tramite il pin di abilitazione del CI. (Immagine per gentile concessione di Toshiba)

Alcuni eFuse possono essere configurati per superare i problemi associati al rilevamento della corrente attraverso un resistore, come la caduta di IR associata che riduce la tensione del rail di uscita. Ad esempio, il modello a 3,3 V STEF033AJR di STMicroelectronics ha valori nominali di corrente massima e di resistenza On FET di 3,6 A e 40 mΩ, rispettivamente, per il contenitore DFN e di 2,5 A e 25 mΩ per il contenitore flip-chip. Nel collegamento convenzionale mostrato in Figura 5, a valori di corrente più elevati, anche una modesta caduta di IR di circa 15 mV nel rail di alimentazione attraverso la resistenza On può essere significativa e preoccupante.

Figura 5: Nel cablaggio convenzionale di STEF033AJR, il resistore che stabilisce il valore limite, R-lim, è posto tra due terminali designati. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Modificando il collegamento convenzionale mettendo il resistore tra il collegamento di limite positivo e il collegamento della tensione di uscita (V_OUT/source), si implementa una disposizione di rilevamento Kelvin che compensa la caduta di IR (Figura 6).

Figura 6: Per ridurre gli effetti della caduta di corrente IR, il lato negativo del resistore di limite è collegato all'uscita di tensione (V_OUT/source). (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Si noti che, sebbene gli eFuse siano semiconduttori e possano funzionare fino a tensioni molto basse, non sono limitati a quella regione bassa. Ad esempio, gli eFuse della famiglia TPS2662x di Texas Instruments sono classificati per il funzionamento da 4,5 a 57 V.

eFuse: produrre o acquistare?

In linea di principio, è possibile costruire un eFuse di base da componenti discreti usando un paio di FET, un resistore e un induttore. I primi eFuse sono stati costruiti in questo modo, con l'induttore che serviva a due scopi: filtrare l'uscita c.c. e agire da resistore di rilevamento usando la resistenza c.c. dei suoi avvolgimenti.

Tuttavia, un eFuse potenziato con prestazioni più costanti che tenga conto delle caratteristiche dei suoi componenti e delle considerazioni operative del mondo reale, non richiede solo pochi componenti discreti. Anche con i componenti aggiuntivi, può fornire solo funzionalità eFuse di base (Figura 7).

Figura 7: Un eFuse con funzionalità di base che utilizza componenti discreti deve anticipare e superare i limiti intrinseci. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

La realtà è che l'accumulo di componenti discreti attivi e passivi diventa presto pesante, è soggetto a variazioni di prestazioni da unità a unità e presenta problemi legati alla tolleranza iniziale, all'invecchiamento dei componenti e alla deriva indotta dalla temperatura. In breve, una soluzione "fai-da-te" discreta ha molti limiti:

• I circuiti discreti utilizzano generalmente un MOSFET a canale P come elemento passante, che è più costoso di un MOSFET a canale N a parità del valore di resistenza nello stato On (RDSon).
• Le soluzioni discrete sono inefficienti in quanto comprendono la dissipazione di potenza attraverso un diodo con un corrispondente aumento della temperatura della scheda.
• È difficile per i circuiti discreti includere un'adeguata protezione termica per l'elemento passante FET. Di conseguenza, quel miglioramento critico viene trascurato o il progetto deve essere sostanzialmente sovradimensionato per fornire un'adeguata area operativa sicura (SOA).
• Un circuito discreto completo richiede molti componenti e molto spazio sulla scheda; la necessità di robustezza e affidabilità del circuito di protezione aggiunge ulteriori componenti.
• Sebbene la velocità di variazione della tensione di uscita in progetti discreti sia regolabile usando un resistore-condensatore (RC), questi componenti devono essere dimensionati alla luce delle caratteristiche dell'elemento passante FET.

Anche se una soluzione a componenti discreti fosse accettabile, sarebbe limitata nelle sue caratteristiche rispetto a una soluzione in CI. Quest'ultimo può includere alcune o tutte le numerose funzioni aggiuntive precedentemente citate, come si vede nella Figura 8 del diagramma a blocchi dell'eFuse. Inoltre, la soluzione in CI è più piccola, ha prestazioni più costanti e pienamente caratterizzate e offre una "tranquillità" di implementazione che una soluzione multicomponente non può offrire - e lo fa a un costo inferiore. Si noti che la scheda tecnica TPS26620 ha parecchi grafici delle prestazioni e diagrammi di temporizzazione che coprono una varietà di condizioni operative, tutte difficili da creare per l'approccio discreto del "produrre".

Figura 8: La semplicità e l'aspetto di un eFuse a piena funzionalità nasconde la sua complessità interna, che sarebbe molto difficile da riprodurre utilizzando componenti discreti. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Esiste un'altra ragione fondamentale per acquistare un eFuse in CI standard piuttosto che produrlo con componenti discreti: l'approvazione regolamentare. Molti fusibili - termici ed eFuse - sono utilizzati per funzioni legate alla sicurezza per prevenire condizioni in cui una corrente eccessiva può causare il surriscaldamento dei componenti ed eventualmente un incendio, o causare lesioni alle persone.

Tutti i fusibili termici convenzionali sono approvati dalle varie agenzie normative e da standard per fornire un'interruzione di corrente a prova di guasto, se utilizzati in modo appropriato. Per una soluzione discreta sarebbe molto difficile e dispendioso - e probabilmente impossibile - ottenere le stesse approvazioni.

Per contro, molti degli eFuse in CI sono già approvati. Ad esempio, gli eFuse serie TPS2662x sono riconosciuti UL 2367 ("Protettore da sovracorrenti a stato solido per impieghi speciali") e certificati IEC 62368-1 (Apparecchiature audio/video, apparecchiature per la tecnologia dell'informazione e della comunicazione - Parte 1: Requisiti di sicurezza). Soddisfano anche la norma IEC 61000-4-5 ("Compatibilità elettromagnetica (EMC) - Parte 4-5: Tecniche di prova e misurazione - Prova di immunità alle sovratensioni"). Per essere certificati, questi eFuse sono testati per le prestazioni nel loro ruolo di base, così come in condizioni che includono temperature di funzionamento minime e massime, temperature minime e massime di stoccaggio e di trasporto, estese prove anormali e di resistenza e cicli termici.

Conclusione

Gli eFuse, che utilizzano circuiti attivi e non una piastrina fusibile per interrompere il flusso di corrente aiutano i progettisti a soddisfare i requisiti che includono l'interruzione veloce, l'autoripristino e il funzionamento affidabile in condizioni di bassa corrente. Sono inoltre dotati di varie caratteristiche di protezione e di una velocità di variazione regolabile. In quanto tali, sono un'aggiunta preziosa al kit di circuiti e componenti per la protezione del sistema dell'ingegnere.

Come discusso, gli eFuse possono sostituire i fusibili termici convenzionali, anche se in molti casi forniscono una protezione localizzata e integrano un fusibile termico. Come il venerabile fusibile termico, molti degli eFuse sono certificati anche per l'uso in funzioni legate alla sicurezza, ampliando così la loro versatilità e applicabilità.

Ulteriori letture

1. "A breve verrà introdotto IEC 62368-1: il nuovo standard di sicurezza per le apparecchiature ICT e AV"
2. "Per soddisfare il nuovo dettame dello standard IEC/UL IEC-62368 sulla sicurezza dei prodotti consumer è indispensabile scegliere l'alimentatore giusto"
3. "Tutorial sui fusibili"
4. "Come selezionare e applicare le tecnologie intelligenti di rilevamento e monitoraggio della corrente (al posto dei fusibili)"