Impariamo a conoscere gli eFuse e le loro caratteristiche

C'è qualcosa di molto tangibile e appagante in un termofusibile tradizionale. Fa solo una cosa - interrompe del tutto il flusso di corrente quando si verifica una condizione di guasto di sovracorrente - e la fa bene, in modo affidabile, senza problemi, vegliando in silenzio sugli altri componenti. Può inoltre essere controllato visivamente o con un ohmmetro (Figura 1).

Figura 1: È facile controllare lo stato di un termofusibile tradizionale. Spesso è possibile farlo visivamente o, se ciò non è possibile, utilizzando un ohmmetro per una prova di continuità semplice e affidabile. (Immagine per gentile concessione di Wololo.net)

Miliardi di questi dispositivi sono utilizzati ogni giorno, come prima o ultima difesa da diverse avarie che possono danneggiare componenti a valle o causare un incendio. Forse ci piacciono perché sono un sistema di collegamento primitivo: scaldandosi e fondendosi, ci riportano ai nostri giorni da cavernicoli. O forse ci attrae la loro nobiltà quando si sacrificano per proteggere la sorgente o il carico.

Qualunque sia il motivo, la realtà è che i tempi cambiano, le tecnologie avanzano e le applicazioni mutano. Un classico termofusibile non è più in grado di offrire tutte le funzioni e le caratteristiche richieste per soddisfare le necessità dei progetti moderni. Il fusibile elettronico, conosciuto anche come eFuse, sta rapidamente guadagnando terreno nella protezione dei sottocircuiti e delle funzioni grazie alle sue capacità uniche rispetto ai termofusibili. Per utilizzare un fusibile elettronico spesso è necessario un cambio di mentalità da parte del progettista.

Che cos'è un eFuse?

Anche se i termofusibili e gli eFuse sono entrambi fusibili, i loro principi di funzionamento sono molto diversi. Il principio di un termofusibile è semplice: la corrente scalda la piastrina fusibile tramite dissipazione I²R, che fonde se la corrente è eccessiva. La rapidità della fusione e dell'interruzione del percorso della corrente dipende dalla quantità di corrente in eccesso e dalla durata del flusso.

In un eFuse, la corrente indirizzata al carico passa attraverso un FET mentre un sensore di corrente dedicato misura tale corrente monitorando la tensione che passa attraverso un resistore di rilevamento. Se la tensione rilevata supera un certo limite, il FET si spegne e il flusso di corrente si arresta (a eccezione di eventuali correnti di dispersione FET).

Come conseguenza di tutto questo, termofusibili ed eFuse presentano caratteristiche molto diverse. A seconda dell'applicazione, gli attributi di un eFuse possono essere un vantaggio o uno svantaggio. Ad esempio:

• Protezione molto rapida da cortocircuiti: la protezione da cortocircuiti estremamente rapida offre la funzionalità di un fusibile base in pochi millisecondi o persino microsecondi. Un intervallo di tempo molto inferiore rispetto a quanto offerto da un termofusibile.
• Il valore per la protezione dalle sovracorrenti è piuttosto preciso e, a seconda dell'eFuse, viene impostato dall'utente tramite resistori esterni o impostato in fabbrica. Si tratta di un sistema più affidabile da quello utilizzato da un termofusibile, che si basa per lo più su una combinazione di corrente e tempo.
• A differenza di un dispositivo base con piastrina fusibile, un eFuse standard è in grado di ristabilire in modo automatico il flusso di corrente una volta terminato il sovraccarico.
• Un eFuse può inoltre evitare che venga applicata una tensione eccessiva al carico bloccando le uscite per arrestare incrementi di tensione istantanea.
• Alcuni eFuse possono sopprimere la corrente di inserzione grazie a un condensatore esterno aggiuntivo che imposta la velocità di variazione per l'accensione con il valore desiderato.

Queste funzioni e caratteristiche rendono l'eFuse una buona soluzione per applicazioni come controller per sostituzione a caldo o sottocircuiti per autoveicoli, dove è presente un picco transitorio di tensione o di corrente breve e potenzialmente pericoloso che deve essere subito soppresso, ma dove il flusso di corrente deve riprendere una volta superato il transitorio.

È possibile realizzare un eFuse partendo dai suoi componenti base. Tuttavia, spesso una versione CI offre prestazioni migliori e costanti in un contenitore più piccolo, aggiungendo al contempo funzioni di cui sarebbe difficile dotare una versione fai-da-te discreta. In teoria, per un eFuse base servono soltanto alcuni componenti, ma in pratica per un circuito eFuse completo e più funzionale possono essere necessari anche diodi e dispositivi per la soppressione di tensioni transitorie (TVS), oltre a resistori e condensatori.

Ad esempio, per aggiungere la funzione di protezione da tensione inversa, piuttosto comune e molto utile, si possono seguire più metodi: un diodo aggiuntivo (con l'indesiderata caduta della tensione diretta del diodo); un circuito con diodo ideale, con un MOSFET a canale P oppure un termofusibile e un diodo TVS (Figura 2). TPS26620 di Texas Instruments offre invece una soluzione con meno problematiche legate alla progettazione e prestazioni migliori e completamente caratterizzate. Si tratta inoltre di una soluzione di dimensioni più piccole rispetto a una versione discreta: solo 3°× 3 mm.

Figura 2: È possibile implementare in più modi un eFuse discreto: a) diodo; (b) MOSFET a canale P; (c) termofusibile e diodo TVS o (d) eFuse TPS26620. (Immagine per gentile concessione di Texas Instruments)

C'è un altro valido motivo per essere molto cauti quando si sceglie di realizzare un eFuse fai-da-te: la certificazione formale. Tutti i termofusibili soddisfano gli standard normativi relativi alla protezione. Per questo, il loro utilizzo facilita l'approvazione dei prodotti. Un eFuse fai-da-te, invece, non è automaticamente conforme a questi requisiti, tra cui si hanno, ad esempio, la distanza di isolamento superficiale e la distanza minima in aria (che sono funzioni della tensione). Di conseguenza, è necessario ottenere un certificato per tali eFuse. Per farlo servono molto impegno e risorse. In alternativa, è possibile evitare tutto questo utilizzando uno dei molti eFuse certificati. Ad esempio, l'eFuse TCKE805NL a 5 A di Toshiba Semiconductor and Storage Corp., annunciato di recente, possiede un certificato IEC62368-1, standard di sicurezza piuttosto recente basato sul rischio per apparecchiature audiovisive, informatiche e per le comunicazioni (ICT) (Figura 3).

Figura 3: L'eFuse TCKE805NL di Toshiba è conforme allo standard di sicurezza IEC62368-1 basato sul rischio per apparecchiature AV e ICT. (Immagine per gentile concessione di Toshiba Semiconductor and Storage)

Conclusione

Non è realistico pensare che gli eFuse sostituiranno del tutto i fusibili a piastrina ampiamente utilizzati. Tutti e due vantano caratteristiche e vantaggi distinti, e rivestono un chiaro ruolo nella progettazione di circuiti e sistemi moderni. Per molti progettisti, l'opzione migliore consiste semplicemente nell'adoperare entrambi. Gli eFuse possono essere impiegati in locale, mentre i termofusibili possono essere utilizzati come supporto per funzioni di sistemi più grandi, dove i livelli di corrente e tensione sono più elevati e un flusso di corrente eccessivo può presentare un pericolo per il circuito o per la sicurezza.

Tuttavia, per utilizzare gli eFuse da soli o in combinazione con i termofusibili è necessario un cambio di mentalità. Al di là delle specifiche base per il valore limite di corrente per entrambe le tipologie di fusibile, i parametri degli eFuse sono abbastanza diversi da quelli dei termofusibili e vanno giudicati di conseguenza. Quando utilizzati insieme, termofusibili ed eFuse offrono una rosa notevole di funzioni, caratteristiche, flessibilità e affidabilità.

Ulteriori letture

"Per soddisfare il nuovo dettame dello standard IEC/UL IEC-62368 sulla sicurezza dei prodotti consumer è indispensabile scegliere l'alimentatore giusto"

https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2019/dec/the-right-power-supply-to-meet-the-new-iec-ul-iec-62368-safety-mandate

"Tutorial sui fusibili"

https://www.digikey.com/en/articles/fuse-tutorial

Riferimenti esterni

Texas Instruments, SLVA862A, "Basics of eFuses"

http://www.ti.com/lit/pdf/slva862

Texas Instruments, "eFuse and hot swap controllers"

http://www.ti.com/power-management/power-switches/efuse-hotswap-controllers/overview.html

CUI Devices, “IEC 62368-1: An Introduction to the New Safety Standard for ICT and AV Equipment”

https://www.cui.com/catalog/resource/iec-62368-1-an-introduction-to-the-new-safety-standard-for-ict-and-av-equipment.pdf

TUV, "What You Need to Know about IEC 62368-1"

https://insights.tuv.com/blog/what-you-need-to-know-about-iec62368-1

Optimum Design Associates, "Clearance and Creepage Rules for PCB Assembly"

http://blog.optimumdesign.com/clearance-and-creepage-rules-for-pcb-assembly