Hur man använder e-säkringar för att konstruera kompakta lösningar för kortslutningsskydd, överspänningsskydd och termiskt skydd

Med den alltmer utbredda användningen av elektroniska apparater i hemmet, på kontoret och inom industrin blir behovet av ett kompakt, billigt, snabbt, återställningsbart och justerbart kretsskydd allt viktigare för att garantera användarens säkerhet och en maximal drifttid. Metoder med konventionella säkringar lider av oprecisa brytströmmar och långsamma svarstider och är vanligtvis behäftade med besväret att säkringen måste bytas ut.

Även om det är möjligt att utforma en lämplig skyddslösning från grunden, är det inte lätt att uppnå de höga kraven på latenstid och precision i en återställningsbar enhet. Dessutom förväntas samma lösning nu även ha ett justerbart överströmsskydd, justerbar ändringstid för strömrusningar, överspänningslåsning, blockering av omvänd ström och termiskt skydd. En sådan konstruktion kräver många diskreta komponenter och flera integrerade kretsar som tillsammans upptar en stor yta på kretskortet, ökar kostnaderna och fördröjer introduktionen på marknaden. Något som gör det ännu svårare är behovet av höga tillförlitlighetsnivåer och kravet på att uppfylla internationella säkerhetsstandarder som IEC/UL62368-1 och UL2367.

För att uppfylla dessa krav kan konstruktörer istället använda sig av integrerade kretsar med elektroniska säkringar (e-säkringar) för att tillhandahålla kortslutningskydd inom nanosekunder, vilket är ungefär en miljon gånger snabbare än konventionella säkringar eller PPTC-enheter.

Artikeln beskriver varför det krävs snabbare, stabilare, kompaktare, tillförlitligare och kostnadseffektivare kretsskydd, innan vi presenterar e-säkringar och hur dessa fungerar. Därefter presenteras flera e-säkringsalternativ från Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation som visar hur de stödjer konstruktörernas behov av ett kostnadseffektivt, kompakt och stabilt skydd.

Behoven av kretsskydd

Överströmmar, kortslutningar, överbelastningar och överspänningar är några av de grundläggande behoven av kretsskydd i elektroniska system. Vid överströmmar flödar en för hög ström genom en ledare. Detta kan leda till hög värmeutveckling och risk för brand eller skador på utrustningen. Överströmmar kan orsakas av kortslutningar, överdriven belastning, konstruktionsfel, komponentfel och båg- eller jordfel. För att skydda kretsar och användare av enheter måste överströmsskyddet utlösas omedelbart.

Överbelastningar sker när den allt för höga strömmen inte är omedelbart farlig, men de långsiktiga konsekvenserna kan vara lika osäkra som en överström. Överbelastningsskyddet är implementerat med olika tidsfördröjningar beroende på nivån av överbelastning. Fördröjningen minskar i takt med att överbelastningen ökar. Överbelastningsskydd kan implementeras med tidsfördröjda eller långsamma säkringar.

Överspänningar kan leda till instabil systemdrift och även till överdriven värmeutveckling och ökad risk för brand. Överspänningar kan också utgöra en omedelbar fara för systemets användare och/eller operatörer. Precis som för överströmmar måste överspänningsskyddet fungera snabbt för att stänga av källan.

Vissa tillämpningar drar nytta av ytterligare skyddsfunktioner utöver de grundläggande för att säkerställa en säker och stabil drift, inklusive justerbara nivåer av överspännings- och överströmsskydd, kontroll av strömrusning vid start, termiskt skydd och blockering av omvänd ström. Olika anordningar för kretsskydd kan uppfylla olika kombinationer av dessa kretsskyddsbehov.

Hur e-säkringar fungerar

Integrerade kretsar med e-säkringar tillhandahåller mer omfattande skyddsfunktioner och högre kontrollnivåer jämfört med konventionella säkringar och PPTC-enheter (figur 1). Förutom kortslutningsskydd med hög hastighet ger e-säkringar en exakt överspänningslåsning, justerbart överströmsskydd, justerbar spänning och styrning av strömmens ändringshastighet för att minimera strömrusningar och termisk avstängning. Vissa modeller har även inbyggd blockering av omvänd ström.

Figur 1: En e-säkring kan ersätta konventionella säkringar eller PPTC-enheter och ge ytterligare skyddsfunktioner och högre kontrollnivåer. (Bildkälla: Toshiba)

En av nycklarna till e-säkringarnas prestanda är den interna effekt-MOSFET:en med ett "PÅ"-motstånd som vanligtvis ligger i området milliohm och som kan hantera höga utgångsströmmar (figur 2). Vid normal drift säkerställer det mycket låga PÅ-motståndet hos effekt-MOSFET:en att spänningen vid VOUT är nästan identisk med spänningen vid VIN. När en kortslutning upptäcks stängs MOSFET:en av mycket snabbt, och när systemet återgår till det normala används MOSFET:en för att styra strömrusningen vid start.

Figur 2: En effekt-MOSFET med lågt PÅ-motstånd (överst i mitten) är nyckeln till e-säkringarnas funktion och kontrollerade start. (Bildkälla: Toshiba)

Förutom effekt-MOSFET:en bidrar e-säkringarnas aktiva karaktär till deras många prestandafördelar (tabell 1). Konventionella säkringar och PPTC:er är passiva enheter med låg noggrannhet i förhållande till utlösningsströmmen. De är beroende av Joule-värme som tar tid att utveckla, vilket ökar deras reaktionstid. En e-säkring övervakar däremot strömmen hela tiden, och när den når 1,6 gånger den justerbara strömgränsen aktiveras kortslutningsskyddet. När de väl har startat reducerar e-säkringarnas extremt snabba teknik för kortslutningsskydd strömmen till nästan noll på bara 150-320 ns, jämfört med reaktionstiderna på en sekund eller längre för säkringar och PPTC:er. Den snabba reaktionstiden minskar systemets påfrestningar och ökar stabiliteten. Eftersom en e-säkring inte förstörs av en kortslutning kan den användas flera gånger.

Tabell 1: integrerade e-säkringskretsar tillhandahåller snabbare skyddshastighet, högre precisionsnivåer och en mer komplett uppsättning skyddsfunktioner jämfört med säkringar och PPTC-enheter (polyswitch). (Tabellkälla: Toshiba)

Jämfört med konventionella säkringar, som är engångsartiklar, bidrar e-säkringar till minskade underhållskostnader och kortare återställlnings- och reparationstider. Två typer av återställning från feltillstånd är tillgängliga med e-säkringar: Automatisk återställning som återgår till normal drift när felet har avlägsnats, och ett låst skydd som återställs när en extern signal aktiveras efter att felet har avlägsnats. Överspännings- och värmeskydd finns också som e-säkringar men är inte möjligt med konventionella säkringar eller PPTC:er.

Urval av e-säkringar

Valet av lämplig e-säkring börjar vanligtvis med tillämpningens strömmatningar. För strömmatningar på 5 till 12 V är e-säkringsserien TCKE8xx ett bra alternativ. De är klassificerade för upp till 18 V inspänning och 5 A, är certifierade enligt IEC 62368-1 och levereras i en WSON10B-kapsling med måtten 3 x 3 x 0,7 mm och ett stiftavstånd på 0,5 mm (bild 3).

Figur 3: Toshibas e-säkringar finns som en hög ytmonterad WSON10B-kapsling med måtten 3 x 3 x 0,7 mm. (Bildkälla: Toshiba)

Serien TCKE8xx erbjuder konstruktörer flexibilitet, inklusive en justerbar överströmsgräns som ställs in av ett externt motstånd, en justerbar styrning av ändringshastigheten som ställs in av en extern kondensator, skydd mot över- och underspänning, termisk avstängning och ett styrstift för en extern FET som blockerar omvänd ström som tillval.

Konstruktörer kan även välja på tre olika nivåer för överspänningslåsning: 6,04 V för system med 5 V (exempelvis TCKE805NL,RF), 15,1 V för system med 12 V (inklusive TCKE812NL,RF) och utan låsning (exempelvis TCKE800NL,RF) (figur 4). Överspänningsskydd finns som automatisk återställning och låsning, beroende på modell, och låsningsnivåerna kan ställas in med en precision på 7 %. Låset för underspänning programmeras med hjälp av ett externt motstånd. En termisk avstängning skyddar kretsen från övertemperaturer genom att stänga av e-säkringen när temperaturen överstiger 160 °C. Modeller med värmeskydd med automatisk återställning, startar om när temperaturen sjunkit med 20 °C.

Figur 4: e-säkringarna i serien TCKE8xx finns för låsspänningar på 6,04 V för system med 5 V (TCKE805), 15,1 V för system med 12 V (TCKE812) och utan låsning (TCKE800). (Bildkälla: Toshiba)

För att säkerställa en stabil drift innehåller e-säkringarna ett alternativ där konstruktörer kan ställa in flankhastigheten för spänning och ström vid start (figur 5). När strömmen slås på kan en stor strömrusning flöda in i utgångskondensatorn och utlösa e-säkringen, vilket leder till en instabil drift. En extern kondensator på e-säkringens dV/dT-stift ställer in flankhastigheten för spänning och ström vid start, vilket förhindrar utlösning på felaktiga grunder.

Figur 5: Konstruktörer kan ställa in flankhastigheten för spänning och ström vid start för att säkerställa en stabil drift av e-säkringen. (Bildkälla: Toshiba)

Beroende på tillämpningens krav kan konstruktörer lägga till en extern N-kanalig effekt-MOSFET för blockering av omvänd ström, en TVS-diod (dämpning av transientspänningar) för att skydda mot transienter på inspänningen och en Schottky-barriärdiod (SBD) för skydd mot negativa spänningsspikar på e-säkringens utgång (figur 6). Blockering av omvänd ström kan vara användbart i tillämpningar som diskstationer för byte under drift, och batteriladdare. Den externa MOSFET:en styrs av stiftet EFET.

Tillägget av en TVS-diod behövs i system som råkar ut för transientspänningar på strömbussen som överskrider e-säkringens maximala nominella värde. I vissa tillämpningar kan en negativ spänningsspik uppstå på e-säkringens utgång, och den valfria Shottky-barriärdioden skyddar integrerade kretsar och andra enheter på belastningssidan samt e-säkringen. Toshiba rekommenderar SSM6K513NU,LF som extern MOSFET, DF2S23P2CTC,L3F som TVS-diod och CUHS20S30,H3F som SBD.

Figur 6: Typisk tillämpning för e-säkringsserien TCKE8xx som visar den valfria TVS-säkringen för skydd mot transienter på inspänningen, SBD-säkringen för skydd mot negativa spänningsspikar på utgångsstiftet och en extern MOSFET för blockering av omvänd ström. (Bildkälla: Toshiba)

E-säkring med inbyggd MOSFET som blockerar omvänd ström

För tillämpningar som kräver minsta möjliga lösning och blockering av omvänd ström kan konstruktörer använda sig av e-säkringen TCKE712BNL,RF som innehåller två interna MOSFET:ar (figur 7). Den andra interna MOSFET:en medför ingen prestandaförlust, de kombinerade PÅ-motstånden för båda MOSFET:arna är på endast 53 mΩ, vilket är ungefär detsamma som när man använder en extern blockerande MOSFET.

Figur 7: e-säkringen TCKE712BNL,RF innehåller två MOSFET:ar (överst i mitten) för att möjliggöra blockering av omvänd ström utan behov av en extern MOSFET. (Bildkälla: Toshiba)

Jämfört med TCKE8xx-seriens konstruktioner med fast spänning har TCKE712BNL,RF ett inspänningsområde från 4,4 till 13,2 V. För att stödja detta utbud av möjliga inspänningar har den ett OVP-stift (överspänningsskydd) som gör det möjligt för konstruktörerna att ställa in överspänningsskyddsnivån för att tillgodose specifika systembehov. TCKE712BNL har dessutom ett FLAG-stift som tillhandahåller en utgång med open drain för att markera närvaron av ett feltillstånd.

Sammanfattning

Det är viktigt att säkerställa krets- och användarskydd i elektroniska system, i synnerhet när enheterna blir allt fler och risken för fel ökar. Samtidigt måste konstruktörerna hålla kostnaderna och formatet till ett minimum, samtidigt som de ska uppnå maximal flexibilitet i skyddet och uppfylla lämpliga skyddsnormer.

Med ultrasnabb drift, precision, tillförlitlighet och återanvändbarhet ger e-säkringar inte bara konstruktörer ett högeffektivt, flexibelt alternativ till konventionella säkringar och PPTC-enheter, utan de har också ett stort antal inbyggda funktioner som förenklar konstruktionen av kretsar och användarskydd.

Rekommenderad läsning

1. Hur man väljer och tillämpar smarta tekniker för strömavkänning och övervakning (istället för e-säkringar)
2. Hur man utformar skyddskretsar som uppfyller den nya AV/ICT-standarden IEC 62368-1