Varför och hur man effektivt använder elektroniska säkringar för att skydda känsliga kretsar

Termiska säkringar har använts framgångsrikt i över 150 år som en grundläggande kretsskyddsanordning. De är effektiva, pålitliga, enkla att använda och finns i en rad värden och variationer för att uppfylla olika konstruktionskrav. De har emellertid oundvikliga brister för konstruktörer som söker extremt snabb strömavstängning, förmåga till självåterställning, samt förmåga att fungera vid relativt låga strömvärden. För dessa konstruktörer är elektroniska säkringar - ofta betecknade som e-säkring, eFuse eller e-Fuse - en utmärkt lösning som ibland ersätter, men oftare kompletterar, den termiska säkringen.

E-säkringar är baserade på ett enkelt koncept för strömavkänning genom att de mäter spänningen över ett känt motstånd och sedan stänger av strömflödet via en fälteffekttransistor (FET) när den överstiger en dimensionerad gräns. E-säkringar erbjuder egenskaper, flexibilitet och funktioner som en termisk säkring inte klarar.

Denna artikel kommer att beskriva hur e-säkringar fungerar. Sedan beskrivs grundfunktioner, kringfunktioner och effektiv användning av dessa aktiva kretssäkringar. Den går även igenom exempellösningar från Texas instruments, ToshibaElectronic Devices and Storage och STMicroelectronics och hur dessa används effektivt.

Hur fungerar e-säkringar?

Funktionsprincipen för en konventionell termisk säkring är enkel, välkänd och tillförlitlig: när strömmen som passerar genom den smältbara länken överstiger dimensioneringsvärdet, värms elementet upp så mycket att det smälter. Detta bryter strömbanan och strömmen blir noll. Beroende på säkringsvärde och -typ, samt mängden överström, kan en termisk säkring reagera och öppna strömbanan på några hundra millisekunder till flera sekunder. Naturligtvis, som med alla aktiva och passiva komponenter, finns det mycket varianter, finlir och nyanser av egenskaperna för denna helt passiva och, i princip, enkla komponent.

Elektroniska säkringar fungerar dock efter en helt annan princip. De ger en del av samma funktionalitet men lägger också till andra och nya egenskaper och funktioner. Det grundläggande e-säkringskonceptet är också enkelt: strömmen till lasten går genom en FET och ett avkänningsmotstånd och övervakas via spänningen över detta avkänningsmotstånd. När denna överstiger ett förinställt värde, stänger styrlogiken av FET:en och kapar strömflödet (Figur 1). FET:en, som är i serie med matningsledningen och lasten, måste ha mycket låg resistans i ledande tillstånd, så att den inte orsakar överdrivet spänningsfall och förslösad effekt.

Figur 1: I en e-säkring, när ström från matningen till lasten passerar genom ett avkänningsmotstånd, övervakas den via spänningen över detta motstånd. När spänningen överstiger ett förinställt värde stänger styrlogiken av FET:en och blockerar strömmen till lasten. (Bildkälla: Texas Instruments)

Det kan tyckas som om en e-säkring helt enkelt är en mer komplicerad, aktiv version av den klassiska, passiva termiska säkringen. Även om det är sant, erbjuder e-säkringar också några unika egenskaper:

Snabbhet: De är snabbverkande komponenter med bryttider i storleksordningen mikrosekunder och somliga svarar t.o.m. på nanosekunder. Detta är viktigt för dagens kretsar med relativt känsliga IC:ar och passiva komponenter.

Strömsnål drift: Inte bara kan e-säkringar utformas för att köras vid låga strömmar (i storleksordningen 100 mA eller mindre), men de fungerar också bra vid låga, ensiffriga spänningar. Vid dessa nivåer kan termiska säkringar ofta inte förses med tillräcklig självuppvärmningsström för att orsaka att smältlänken faktiskt smälter.

Återställbar: Beroende på den specifika modellen erbjuder e-säkringar valet att vara fortsatt avstängda efter att de har aktiverats (kallat spärrat läge eller "latch-off") eller att återuppta normal drift om det aktuella felet upphör ("auto-retry"-läge). Den sistnämnda inställningen är särskilt användbar i situationer med transienta inrusningsströmmar där det inte finns något ”hårt” fel, exempelvis när ett kort ansluts till en spänningssatt buss. Det är också användbart när det är svårt eller kostsamt att byta säkring.

Backströmsskydd: En e-säkring kan också ge skydd mot backströmmar, vilket en termisk säkring inte kan göra. Backströmmar kan uppstå när spänningen på systemutgången är högre än på dess ingång. Detta kan exempelvis ske med en uppsättning redundanta parallella strömförsörjningar.

Överspänningsskydd: Med några extra kretsar kan e-säkringen ge överspänningsskydd mot stötpulser eller induktiva spikar, stänga av FET:en när ingångsspänningen överstiger den inställda utlösningsnivån och förbli i OFF-tillstånd så länge överspänningstillståndet kvarstår.

Skydd mot omvänd polaritet: E-säkringar kan också ge skydd mot omvänd polaritet, vilket snabbt avbryter strömflödet om källan är ansluten felvänt. Ett exempel är ett bilbatteri som kanske blir felvänt anslutet under ett kort ögonblick på grund av oavsiktlig kabelkontakt.

Lutning på rampen: Vissa avancerade e-säkringar kan också erbjuda definierad avstängning/påslagning av strömmen genom att styra på/av-övergången av passelementet FET, via en extern styrning eller med hjälp av fasta komponenter.

Av dessa skäl är e-säkringar en attraktiv lösning för strömflödesstyrning. Även om de i vissa fall kan användas i stället för termiska säkringar, kombineras de ofta. I ett sådant arrangemang används e-säkringar för lokalt, snabbsvarsskydd för en krets eller kretskort som i hot-swap-system (hot plug), fordonstillämpningar, programmerbara logikstyrenheter (PLC) och hantering av batteriladdning/urladdning. Den kompletterande termiska säkringen ger skydd på systemnivå mot stora, grova fel där en hård och permanent avstängning behövs.

På detta sätt får konstruktören det bästa av två världar, med alla funktioner på e-säkringarna plus den distinkta, otvetydiga funktionen hos värmesäkringen. Detta uppnås utan tekniska kompromisser eller nackdelar. Det finns naturligtvis några kompromisser som med alla konstruktioner. I detta fall handlar det om ökat ianspråktagande av kortyta och en något längre komponentlista.

Välja en e-säkring: funktioner och tillämpningar

När du ska välja en e-säkring finns det några grundläggande parametrar att tänka på. Det övergripande övervägandet är, föga överraskande, strömnivån på vilken säkringen löser ut. Denna kan typiskt sett vara från mindre än 1 A upp till cirka 10 A, samt den maximala spänningen som säkringen tål mellan sina poler. För vissa e-säkringar är denna strömnivå fast, medan den för andra kan ställas in via ett externt motstånd. Andra urvalsfaktorer inkluderar svarshastighet, vilström, storlek ("fotavtryck") och antalet och typen av externa stödkomponenter som eventuellt behövs. Dessutom måste konstruktörerna överväga alla ytterligare egenskaper och funktioner som de olika e-säkringsmodellerna kan erbjuda.

Exempelvis är PLC:er en tillämpning där e-säkringar är fördelaktiga i olika delkretsar som kan vara utsatta för avbrottsrisker gällande sensor-I/O och strömförsörjning. Det förekommer också strömspikar när kablar ansluts eller kort byts ut under drift (s.k. hot-swap). En e-säkring som Texas InstrumentsTPS26620 används ofta i dessa 24 volts-tillämpningar. Denna visas inställd för en gräns på 500 mA i figur 2. Den arbetar från 4,5 till 60 volt upp till 80 mA, med en programmerbar strömgräns, överspänning, underspänning och skydd mot omvänd polaritet. IC:n kan också styra startströmmen och ge robust skydd mot backström och felaktigt dragna ledning för både PLC I/O-moduler och sensorströmförsörjningar.

Figur 2: Texas Instruments e-säkring TPS26620 visas inställd på att utlösas på 500 mA i denna 24 VDC PLC-tillämpning. (Bildkälla: Texas Instruments)

Tidsdiagrammen i figur 3 för Toshibas TCKE805, en 18 V, 5 A e-säkring, visar hur en leverantör har implementerat lägena auto-retry jämfört med spärrat läge. I auto-retry-läge (inställt med EN/UVLO-pinnen) förhindrar överströmsskyddet skador på e-säkringen och dess last genom att dämpa strömförbrukningen i händelse av feltillstånd.

Figur 3: Toshiba TCKE805 18 volt, 5 A e-säkring använder en testa-och-upprepa-cykelsekvens för att bedöma om det är säkert att återställa strömmen. (Bildkälla: Toshiba)

Om utgångsströmmen, som styrs av det externa motståndet (R_LIM ), överskrider gränsströmmen (I_LIM ) på grund av ett lastfel eller kortslutning, minskar utgångsströmmen och utspänningen, vilket begränsar strömmen som förbrukas av IC:n och lasten. När utströmmen når det förinställda gränsvärdet och överström detekteras, begränsas utströmmen till högst I_LIM. Om överströmtillståndet inte åtgärdas i detta skede, bibehålls detta begränsade tillstånd och e-säkringstemperaturen fortsätter att stiga.

När e-säkringstemperaturen når drifttemperaturen för den termiska avstängningsfunktionen, stängs e-säkringens MOSFET av och stoppar strömmen helt. Det auto-retry-funktionen försöker återställa strömflödet genom att stoppa strömmen, vilket sänker temperaturen och gör av den termiska frånkopplingen släpper. Om temperaturen stiger igen upprepas cykeln och stoppar funktionen tills överströmssituationen är åtgärdad.

Som kontrast till detta, kommer spärrläget blockera utgången tills e-säkringen är återställd via Enable-pinnen (EN/UVLO) på kretsen (Figur 4).

Figur 4: I spärrläget, till skillnad från läget auto-retry, återställs inte Toshibas e-säkring förrän den beordras att göra detta via kretsens Enable-pinne. (Bildkälla: Toshiba)

Vissa e-säkringar kan konfigureras för att lösa problem förknippade med strömavkänning över ett motstånd, såsom det ofrånkomliga spänningsfallet, vilket sänker spänningen på utgången. Exempelvvis har STMicroelectronics STEF033AJR för 3,3 volt maximala märkström- och FET-resistansvärden på 3,6 A respektive 40 mOhm för DFN-kapslingen, samt 2,5 A och 25 mOhm för flip-chip-kapslingen. I den konventionella anslutningen som visas i figur 5 kan till och med ett blygsamt spänningsfall på ca 15 mV i matningen, till följd av resistansen i on-tillståndet, bli betydande och oroande vid högre strömstyrkor.

Figur 5: I den konventionella inkopplingen av STEF033AJR, placeras motståndet som ställer in gränsvärdet, Rlim, mellan de två angivna polerna. (Bildkälla: STMicroelectronics)

Om den konventionella anslutningen ändras genom att motståndet placeras mellan limit-anslutningen på plussidan och utspänningsanslutningen (V_OUT / Source), erhålls ett Kelvin-avkännande arrangemang som kompenserar för spänningsfallet över motståndet (Figur 6).

Figur 6: För att minska effekterna av spänningsfallet för strömavkänningen, är minussidan av limit-motståndet ansluten till spänningsutgången (V_UT/Source). (Bildkälla: STMicroelectronics)

Kom ihåg att även om e-säkringar är halvledare och kan arbeta ner till ensiffriga spänningar, är de inte begränsade till detta låga område. Exempelvis är e-säkringarna i Texas Instruments TPS2662x-familj klassade för drift från 4,5 till 57 volt.

E-säkringar: Göra eller köp?

I princip är det möjligt att bygga en grundläggande e-säkring av diskreta komponenter med hjälp av ett par FET:ar, ett motstånd och en induktor. De tidigaste e-säkringarna byggdes på detta sätt, och induktorn tjänar här två syften: filtrering av DC-utgången och att fungera som ett avkänningsmotstånd med hjälp av DC-resistansen i lindningarna.

En bättre e-säkring med mer konsekvent prestanda som tar hänsyn till såväl komponenternas karakteristik som verkliga driftfaktorer, kräver dock mer än några diskreta komponenter. Även med de ytterligare komponenterna kommer den endast kunna erbjuda en grundläggande säkringsfunktionalitet (Figur 7).

Figur 7: En e-säkring med grundfunktionalitet som använder diskreta komponenter måste förutse och övervinna sina inherenta begränsningar. (Bildkälla: Texas Instruments)

Verkligheten är att ackumuleringen av aktiva och passiva diskreta komponenter snart blir otymplig, blir känslig för prestandavariationer från enhet till enhet och får problem relaterade till initial tolerans, komponentåldrande och temperaturinducerad avdrift. Kort sagt, en diskret gör-det-själv-lösning har många begränsningar:

• Diskreta kretsar använder i allmänhet en P-kanals MOSFET som ett passeringselement, vilket är dyrare än en N-kanals MOSFET när det gäller att uppnå samma resistansvärde (R_{DS (ON)}).
• Diskreta lösningar är ineffektiva eftersom de inkluderar effektförluster över en diod med en motsvarande ökning av temperaturen på kortet.
• Det är svårt för diskreta kretsar att uppnå adekvat termiskt skydd för passeringselementets FET. Därför kommer man tappa denna kritiska förbättring, eller så måste konstruktionen vara ordentligt stor för att ge ett lämpligt säkert arbetsintervall.
• En omfattande diskret krets kräver många komponenter och stort kortutrymme och behovet av robusthet i och tillförlitligheten för skyddskretsen bidrar med ytterligare komponenter.
• Även om förändringshastigheten för utgångsspänningen i diskreta konstruktioner är justerbar med hjälp av motstånds- och kondensatorkomponenter (RC), måste dessa komponenter dimensioneras med noggrann förståelse för karakteristiken på styret till passerelement-FET:en.

Även om en diskret komponentlösning lyckas bli godtagbar, kommer den vara begränsad i sina funktioner jämfört med en IC-baserad lösning. Den senare kan inkludera några eller alla av de många ytterligare funktioner som tidigare citerats, vilket framgår av e-säkringsblockschemat i Figur 8. Dessutom är IC-lösningen mindre, har mer konsekvent och fullständigt karaktäriserad prestanda och erbjuder en "sinnesro" som en multikomponentlösning inte kan erbjuda och den gör detta till en lägre kostnad. Observera att TPS26620-databladet har flera dussin prestandadiagram och tidsdiagram som täcker en mängd olika driftsförhållanden, som alla skulle vara svåra att skapa för den diskreta "göra själv"-metoden.

Figur 8: Den yttre enkelheten och utseendet hos en fullfjädrad eFuse döljer dess inre komplexitet, vilket skulle vara mycket svårt att reproducera med diskreta komponenter. (Bildkälla: Texas Instruments)

Det finns en annan kritisk anledning till att köpa en standard e-säkringskrets snarare än att välja det diskreta gör-det-själv-sättet: regelverk. Många säkringar - termiska och e-säkringar - används för säkerhetsrelaterade funktioner för att förhindra tillstånd där för hög ström kan orsaka komponentöverhettning och eventuellt brand eller skada användare.

Alla konventionella termiska säkringar är godkända av olika tillsynsmyndigheter och enligt standarder för att ge en säker strömavstängning när de används på rätt sätt. Det skulle dock vara mycket svårt och tidskrävande och troligtvis till och med omöjligt att få samma godkännanden för en diskret lösning.

Däremot är många av de integrerade e-säkringarna redan godkända. Exempelvis är e-säkringar i TPS2662x-serien UL 2367-godkända (“Special-purpose Solid-state Overcurrent Protector”) och IEC 62368-1-certifierade (IT- och multimedia-utrustning - Del 1: Säkerhet). De uppfyller också IEC 61000-4-5 (“Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) - Del 4-5: Mät- och provningsmetoder - Provning av immunitet mot stötpulser”). För att bli så certifierade testas dessa e-säkringar med avseende på prestandan i såväl sin basfunktion som under förhållanden som inkluderar lägsta och högsta driftstemperatur, lägsta och högsta förvarings- och transporttemperatur, samt genomgår tester av onormala förhållanden och uthållighet samt undergår termisk cykling.

Slutsats

E-säkringar, som använder aktiva kretsar istället för en smältbar länk för att avbryta strömflödet, hjälper konstruktörer att uppfylla krav som inkluderar snabb avstängning, självåterställning och tillförlitlig drift under lågströmsförhållanden. De har också olika skyddsfunktioner samt justerbara ramplutningar. Som sådana är de ett värdefullt tillskott till ingenjörens verktygslåda för krets- och systemskyddskomponenter.

Som vi sett kan e-säkringar ersätta konventionella termiska säkringar, men i många fall ger de lokalt skydd och kompletteras med en termisk säkring. Precis som de vördade termosäkringarna är många av e-säkringarna också certifierade för användning i säkerhetsrelaterade funktioner, vilket ökar deras mångsidighet och användbarhet.

Vidare läsning

1. “IEC 62368-1 är på väg: Den nya säkerhetsstandarden för IKT- och AV-utrustning ”
2. “Rätt strömförsörjning är kritiskt för att uppfylla det nya säkerhetskravet IEC/UL IEC-62368 för konsumentprodukter”
3. “Handledning om säkringar”
4. “Hur man väljer och använder smart strömavkännings- och övervakningsteknik (istället för säkringar)”