Le caratteristiche e le capacità degli eFuse valgono la complessità aggiunta? Chiediamolo ai progettisti automotive

La piastrina fusibile di base ad attivazione termica, meglio nota come fusibile, esiste sin dagli albori dell'elettricità e dell'energia elettrica. Un fusibile fa una sola cosa e la fa bene: passa da conduttore di corrente quasi perfetto a circuito aperto quasi ideale nel giro di pochi millisecondi o qualche secondo (a seconda del modello) in presenza di una corrente eccessiva e del conseguente calore che scioglierà il suo conduttore.

Una volta scelto il fusibile, installarlo e utilizzarlo è semplice in quanto non ci sono opzioni di connessione, passaggi di inizializzazione o impostazioni di configurazione. È solo un dispositivo a due terminali che fornisce protezione ai circuiti critici, consentendo al contempo a un progetto di soddisfare facilmente molti requisiti normativi e di sicurezza.

I fusibili sono disponibili in innumerevoli configurazioni fisiche e correnti nominali, alcune più comuni di altre. Tra gli stili di fusibili più comuni ci sono il fusibile in vetro 3AG (1/4" di diametro, 1¼" di lunghezza) che viene spesso utilizzato in prodotti commerciali e industriali più piccoli, nonché in alcuni prodotti consumer alimentati dalla linea e il fusibile lamellare, molto diffuso nelle applicazioni automotive (Figura 1).

Figura 1: Lo stile del fusibile 3AG è stato uno dei primi per il mercato di massa ed è ancora utilizzato (a sinistra). Alla fine il settore automotive ha scelto di adottare fusibili lamellari più sottili (a destra). (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Inc.)

Per ironia della sorte, la designazione 3AG è l'abbreviazione di "Size 3 Automotive Glass" ed era stata originariamente progettata negli anni '30 per le automobili. Tuttavia, con l'aumento del numero di fusibili in un veicolo, il settore automotive si è allontanato dal 3AG e ha sviluppato i fusibili lamellari.

Nonostante i numerosi aspetti positivi e il successo senza precedenti di cui hanno goduto questi fusibili, come dimostrato dai milioni (o miliardi) di esemplari utilizzati ogni anno, i tempi e le esigenze di progettazione cambiano. Negli ultimi anni, il fusibile elettronico (solitamente scritto come eFuse o e-Fuse) è diventato un'alternativa molto diffusa o integrativa del termofusibile. Alcuni progetti utilizzano entrambi: gli eFuse sono destinati alla protezione del circuito localizzato, mentre i termofusibili sono per la protezione a livello di sistema.

Tra le caratteristiche chiave dell'eFuse di base c'è il suo rapido tempo di risposta - nell'ordine dei millisecondi o meno - ma le sue caratteristiche non finiscono qui. Mentre molti eFuse inizialmente avevano lo scopo di proteggere sottocircuiti come le applicazioni di sostituzione a caldo, alcuni eFuse sono stati presto certificati secondo gli standard UL e IEC appropriati, il che ha permesso che venissero approvati per la protezione relativa alla sicurezza.

eFuse che vanno oltre l'interruzione di corrente di base

Poiché gli eFuse sono dispositivi a stato solido a base di silicio, presto hanno seguito il percorso di altri CI di base aggiungendo altre funzioni e caratteristiche, come soglie di corrente programmabili dall'utente, uscita bistabile, nuovo tentativo automatico opzionale, segnale Power Good, monitoraggio del livello di corrente, blocco della corrente inversa e arresto termico.

Ad esempio, TPS25210ARPWR di Texas Instruments è un eFuse da 2,7 a 5,7 V, 4 A, 31 mΩ con un tempo di risposta tipico di 500 ns (Figura 2). L'utente può impostare il limite di corrente da 0,5 A a 4,44 A tramite un resistore di rilevamento della corrente esterno.

TPS25210ARPWR è un eFuse di base per livelli di corrente moderati; include alcune funzioni utili oltre all'interruzione della corrente di base al superamento della soglia. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

Oltre alle funzionalità di un fusibile base, questo eFuse protegge da sovraccarichi, cortocircuiti, sovratensioni, polarità inversa e corrente di inserzione eccessiva. Per applicazioni con requisiti di corrente di inserzione specifici, i progettisti possono impostare la velocità di variazione dell'uscita con un singolo condensatore esterno. I carichi sono protetti dalle condizioni di sovratensione in ingresso bloccando l'uscita a una tensione massima sicura, fissa e selezionabile tramite pin.

eFuse come questo offrono un lungo elenco di funzioni e hanno reso il compito di fusione, fondamentalmente "stupido", più intelligente, più flessibile, più informativo e utile per il sistema che sono incaricati di proteggere. Ciò li distingue nettamente dal termofusibile convenzionale con la sua corrente nominale fissa.

Non solo eFuse di base

La funzionalità limitata e la mancanza di connettività I/O della piastrina fusibile sono in contrasto con le esigenze degli odierni veicoli intelligenti e collegati in rete. Al contrario, le numerose funzionalità degli eFuse li rendono particolarmente attraenti per le applicazioni automotive. Per questo motivo, il settore ha sviluppato eFuse che soddisfano rigorose certificazioni automotive e incorporano molte altre funzionalità desiderate.

Un esempio è costituito da VNF1048F di STMicroelectronics, un controller di commutazione high-side con certificazione AEC-Q100 introdotto di recente e destinato ad applicazioni di distribuzione dell'alimentazione nel settore automotive. Combina una protezione avanzata del sistema e funzionalità diagnostiche con la tecnologia di fusibili al silicio "I²-t" di STMicroelectronics (Figura 3).

Figura 3: VNF1048F con certificazione AEC-Q100 è un eFuse, ma include anche un controller di commutazione high-side, oltre a numerose altre funzionalità e opzioni di connettività. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Compatibile con i sottosistemi di alimentazione automotive a 12, 24 e 48 V, per la la flessibilità VNF1048F è adatto alle più recenti architetture elettroniche/elettriche automotive "zonali" che incrementano l'efficienza e l'affidabilità ma al contempo supportano anche una maggiore elettrificazione e funzioni extra per una guida intelligente.

La funzione I²-t fornisce una protezione da sovracorrente a intervento rapido, ripristinabile e affidabile. I fusibili al silicio aiutano anche a semplificare i cablaggi del veicolo e a ridurre il peso eliminando le scatole dei fusibili accessibili all'utente e i relativi cavi.

VNF1048F è un eFuse ricco di funzionalità e adattabile, la cui interfaccia periferica seriale (SPI) a 32 bit è compatibile con i livelli logici CMOS da 3,3 V e 5 V, consentendo a un microcontroller host di configurare e monitorare le funzioni di protezione del sistema e di diagnostica. Queste funzioni includono la protezione da sottotensione e sovratemperatura, una pompa di carica a due stadi per l'azionamento MOSFET esterno, oltre a protezione termica MOSFET, spegnimento per desaturazione e impostazioni del fusibile I²-t.

Il rilevamento della corrente digitale ad alta precisione è integrato utilizzando un resistore di shunt high-side esterno. Il dispositivo integra anche convertitori analogico/digitale (ADC) per il monitoraggio della tensione del termistore di rilevamento della temperatura (V_NTC), la tensione di uscita (V_OUT) e la tensione drain-source del MOSFET (V_DS).

Un controller intelligente a piena funzionalità e altamente efficiente come VNF1048F offre molto più della semplice integrazione di funzioni che sono in qualche modo correlate. Incorpora anche una sofisticata macchina a stati che gestisce e assicura che le sue prestazioni, azioni e reazioni si adattino alle esigenze del sistema che sta monitorando (Figura 4).

Figura 4: Il diagramma di stato per il funzionamento e il sequenziamento di VNF1048F dimostra chiaramente come e perché è molto più di un semplice eFuse di base. (Immagine per gentile concessione di STMicroelectronics)

Dato il suo elevato livello di funzionalità e integrazione, VNF1048F è corredato da una scheda tecnica di 52 pagine. Chiunque abbia intenzione di utilizzare questo dispositivo dovrebbe essere pronto a studiare seriamente le numerose modalità, funzioni, inizializzazioni e impostazioni supportate, in quanto sono molte le cose da fare prima di applicarlo.

Quest'ultimo punto spiega le possibili preoccupazioni legate all'utilizzo di componenti così sofisticati. Una delle virtù del semplice termofusibile vecchio stile è che una volta selezionato il dispositivo appropriato non servono praticamente altri sforzi di progettazione. Basta inserire il fusibile nel circuito e il gioco è fatto: nessuna funzione da inizializzare, nessun parametro da impostare, nessuna decisione sul protocollo da prendere, nessun download tramite un collegamento. Al contrario, la progettazione di eFuse avanzati richiede più tempo e impegno, anche per il debug.

Conclusione

L'eterno dilemma della progettazione ingegneristica è: fare tutto semplice e accettare una flessibilità limitata o impegnarsi per realizzare un componente più avanzato, sapendo che la sua implementazione richiederà più lavoro? Nel caso degli eFuse, e grazie in gran parte ai crescenti requisiti di complessità e flessibilità dei progetti automotive, sembra che la fatica venga ampiamente ripagata.

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