Slik bruker du e-sikringer til å konstruere kompakte løsninger for kortslutning, overspenning og varmebeskyttelse

Med gjennomslagskraften av elektroniske enheter i hjemmet, kontoret og industrien, har behovet for kretsbeskyttelse som er kompakt, prisgunstig, rask, nullstillbar og justerbar blitt stadig viktigere for å sikre brukersikkerhet og maksimal oppetid for enheter. Konvensjonelle sikringsløsninger lider av upresise bruddstrømmer og langsomme responstider, og de er som regel beheftet med det faktum at sikringer er nødt til å byttes ut.

Selv om det er mulig å konstruere en egnet vernelsesløsning fra bunnen av, er det ikke så enkelt å oppnå de krevende kravene til latenstid og presisjon i en nullstillbar enhet. I tillegg forventes det at den samme løsningen også har justerbart overstrømsvern, justerbar stigehastighet for innkoblingsstrømstøt, overspenningsbegrensning, tilbakestrømblokkering og varmebeskyttelse. En slik konstruksjon krever mange diskrete komponenter og flere IC-er, som til sammen opptar et betydelig område på kretskortet, øker kostnader og forsinker tiden det tar å få sluttproduktet ut til markedet. Noe som fører til ytterligere vanskeligheter, er behovet for høy pålitelighet og kravet om å måtte oppfylle internasjonale sikkerhetsstandarder som IEC/UL62368-1 og UL2367.

For å imøtekomme disse kravene kan konstruktører i stedet velge å bruke e-sikring-IC-er til å gi kortslutningsvern innen nanosekunder (NS), noe som er omtrent én million ganger raskere enn konvensjonelle sikringer eller PPTC-enheter.

Denne artikkelen beskriver hvorfor raskere, mer robust, kompakt, pålitelig og kostnadseffektivt kretsvern er nødvendig, og introduserer deretter e-sikringer og hvordan de fungerer. Den introduserer deretter flere e-sikringsalternativer fra Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation og viser hvordan de støtter behovene til konstruktører når det kommer til kostnadseffektiv, kompakt og robust beskyttelse.

Behov innen kretsbeskyttelse

Overstrømstilstander, kortslutninger, overbelastninger og overspenninger er noen av de grunnleggende årsakene til at kretsbeskyttelse er nødvendig i elektroniske systemer. Under en overstrømtilstand strømmer en overdreven mengde strøm gjennom en leder. Dette kan føre til høy varmeutvikling og fare for brann eller skade på utstyret. Overstrømtilstander kan være forårsaket av kortslutninger, overdreven belastning, konstruksjonsfeil, komponentfeil og lysbue- eller jordfeil. For å beskytte kretser og de som bruker enheten, må overstrømsvern kunne aktiveres umiddelbart.

Overbelastningstilstander oppstår når den overdrevent høye strømmen ikke er umiddelbart farlig, men de langsiktige konsekvensene kan være like utrygge som en høy overstrømtilstand. Overlastvern implementeres med ulike tidsforsinkelser som er basert på overbelastningsnivået. Etter hvert som overbelastningstilstanden stiger, reduseres forsinkelsen. Overlastvern kan implementeres med tidsforsinkelse eller trege sikringer.

Overspenningstilstander kan resultere i ustabil systemdrift og også føre til generering av overdreven varme og økt potensial for brann. Overspenninger kan også utgjøre en umiddelbar fare for systembrukere eller -operatører. I likhet med overstrøm, må overspenningsvern aktiveres raskt for å frakoble kilden.

Noen konstruksjoner drar nytte av ytterligere beskyttelsesfunksjoner utover det grunnleggende for å sørge for sikker og stabil drift. Disse funksjonene omfatter justerbare beskyttelsesnivåer for overspenning og overstrøm, styring av innkoblingsstrømstøt under start, varmebeskyttelse og blokkering av tilbakestrøm. Ulike enheter for kretsbeskyttelse kan tilfredsstille forskjellige kombinasjoner av disse kretsbeskyttelsesbehovene.

Slik fungerer e-sikringer

IC-er i form av e-sikringer tilbyr mer omfattende beskyttelse og bedre kontroll sammenlignet med konvensjonelle sikringer og PPTC-enheter (figur 1). I tillegg til kortslutningsvern med høy hastighet tilbyr e-sikringer presis overspenningsbegrensning, justerbart overstrømsvern, justerbar spenning, og styring av strømmens stigehastighet for å minimere innkoblingsstrømstøt og termisk avstengning. Noen versjoner omfatter også integrert blokkering av tilbakestrøm.

Figur 1: En e-sikring kan erstatte konvensjonelle sikringer eller PPTC-enheter og levere ytterligere beskyttelsesfunksjoner og bedre kontroll. (Bildekilde: Toshiba)

En av hovedgrunnene til at ytelsen til e-sikringer er så god, er den interne effekt-MOSFET-en som kommer med en «PÅ» (ON)-motstand som vanligvis ligger i milliohm (mΩ)-området og som kan håndtere høye utgående strømmer (figur 2). Under normal drift sikrer den svært lave PÅ-motstanden til effekt-MOSFET-en at spenningen ved VOUT er nesten identisk med spenningen ved VIN. Når en kortslutning detekteres, slås MOSFET-en av veldig raskt, og når systemet går tilbake til normal drift brukes MOSFET-en til å styre innkoblingsstrømstøtet.

Figur 2: En effekt-MOSFET med lav PÅ-motstand (øverst i midten) er viktig for å kunne levere den raske handlingen og egenskapene til den styrte e-sikringen under oppstart. (Bildekilde: Toshiba)

I tillegg til effekt-MOSFET-en, bidrar e-sikringenes aktive karakter til de mange ytelsesfordelene (tabell 1). Konvensjonelle sikringer og PPTC-er er passive enheter med lav nøyaktighet når det kommer til utløsningsstrømmen. De er avhengige av Joule-oppvarming som tar tid å opparbeide, noe som øker reaksjonstiden. En e-sikring overvåker derimot strømmen kontinuerlig, og når den når 1,6 ganger det justerbare strømgrensenivået, aktiveres kortslutningsvernet. Når den er aktivert, reduserer den svart raske kortslutningsvern-teknikken i e-sikringer strømmen til nær null på bare 150 til 320 ns, sammenlignet med 1 sekund eller lengre reaksjonstid i sikringer og PPTC-er. Denne raske reaksjonstiden reduserer systemstress, noe som resulterer i økt robusthet. Siden e-sikringer ikke tar skade under kortslutning, kan de brukes flere ganger.

Tabell 1: IC-er med e-sikring gir raskere beskyttelseshastighet, høyere presisjonsnivåer og en mer komplett pakke med beskyttelsesfunksjoner sammenlignet med sikringer og PPTC (poly switch)-enheter. (Tabellkilde: Toshiba)

Sammenlignet med konvensjonelle sikringer, som er for engangsbruk, bidrar e-sikringer til reduserte vedlikeholdskostnader og mindre gjenopprettings- og reparasjonstid. To typer gjenoppretting fra feiltilstander er tilgjengelige med e-sikringer: Automatisk gjenoppretting vil gå tilbake til normal drift når feiltilstanden er fjernet, og; låst beskyttelse som gjenopprettes når et eksternt signal påføres etter at feilen er eliminert. Overspenningsvern og varmebeskyttelse kommer også med e-sikringer, noe som ikke mulig med konvensjonelle sikringer eller PPTC-er.

Valg av e-sikringer

Valget av passende e-sikring starter vanligvis med konstruksjonens strømskinner. E-sikringene i TCKE8xx-serien er et godt alternativ for strømskinner på 5 til 12 volt. De har nominelle verdier for inngangsspenninger på opptil 18 volt og 5 ampere (A), er IEC 62368-1-sertifisert, og de kommer i en WSON10B-kapsling på 3 x 3 x 0,7 mm med en pinneavstand (pitch) på 0,5 mm (figur 5).

Figur 3: E-sikringer fra Toshiba er kapslet i en høy overflatemontert WSON10B-kapsling som måler 3 mm x 3 mm x 0,7 mm. (Bildekilde: Toshiba)

TCKE8xx-serien gir konstruktører fleksibilitet, som omfatter en justerbar overstrømsgrense angitt av en ekstern motstand, en justerbar styring for stigehastighet angitt av en ekstern kondensator, overspennings- og underspenningsvern, termisk avstengning og en styrepinne for en valgfri ekstern FET for blokkering av tilbakestrøm.

Konstruktører kan også velge mellom tre forskjellige begrensningsnivåer for overspenning; 6,04 volt for 5-volts systemer (for eksempel TCKE805NL,RF), 15,1 volt for 12-volts systemer (for eksempel TCKE812NL,RF), og uten begrensning (for eksempel TCKE800NL, RF) (Figur 4). Overspenningsvern er tilgjengelig som automatisk gjenopptaking og begrensing, avhengig av modellen, og begrensningsnivåene er angitt med en presisjon på 7 %. Underspenningssperren (UVLO) kan programmeres med en ekstern motstand. Termisk avstenging beskytter IC-en mot en overtemperaturtilstand ved å slå av e-sikringen når temperaturen stiger over 160 grader Celsius (°C). Modeller med varmebeskyttelse med automatisk gjenopptakelse starter på nytt når temperaturen faller med 20 °C.

Figur 4: E-sikringene i TCKE8xx-serien er tilgjengelige med begrensningsspenninger på 6,04 volt for 5-volts systemer (TCKE805), 15,1 volt for 12-volts systemer (TCKE812), og uten begrensning (TCKE800). (Bildekilde: Toshiba)

For å sikre stabil drift, gir disse e-sikringene konstruktører muligheten til å angi stigningsforholdet til strøm og spenning ved oppstart (figur 5). Når strømmen slås på, kan et stort innkoblingsstrømstøt strømme inn i utgangskondensatoren og utløse e-sikringen, noe som resulterer i ustabil drift. En ekstern kondensator på dV/dT-pinnen på e-sikringen angir stigningsforholdet til spenningen og strømmen, noe som hindrer irriterende utløsning (tripping).

Figur 5: Konstruktører kan angi stigningsforholdet ved oppstart for spenningen og strømmen for å sikre stabil drift av e-sikringen. (Bildekilde: Toshiba)

Konstruktører kan, avhengig av kravene til konstruksjonen, legge til en ekstern N-kanal effekt-MOSFET for blokkering av tilbakestrøm, en TVS-diode (TVS – demper for transientspenning) for beskyttelse mot transiente inngangsspenninger, og en Schottky-diode (SBD – Schottky barrier diode) for beskyttelse mot negative spenningstopper på utgangen til e-sikringen (figur 6). Blokkering av tilbakestrøm kan være nyttig i konstruksjoner som hot-swap-harddisker og batteriladere. Den eksterne MOSFET-en styres av EFET-pinne.

En TVS-diode er nødvendig i systemer som opplever transientspenninger på strømbussen som overstiger den maksimale klassifiseringen til e-sikringen. I noen konstruksjoner kan en negativ spenningstopp vises på utgangen til e-sikringen, og den valgfrie SBD-en beskytter IC-er og andre enheter på lastsiden, samt e-sikringen. Toshiba anbefaler SSM6K513NU,LF som den eksterne MOSFET-en, DF2S23P2CTC,L3F som TVS-dioden og CUHS20S30,H3F som SBD-en.

Figur 6: Typisk bruksområde for e-sikringer i TCKE8xx-serien som viser den valgfrie TVS-en for beskyttelse mot transientspenninger på inngangen, SBD-en for beskyttelse mot negative spenningstopper på utgangspinnen og en ekstern MOSFET for blokkering av tilbakestrøm. (Bildekilde: Toshiba)

E-sikring med integrert MOSFET for blokkering av tilbakestrøm

For konstruksjoner som har behov for den minste mulige løsningen og blokkering av tilbakestrøm, kan konstruktører bruke e-sikringen TCKE712BNL,RF, som inkluderer to interne MOSFET-er (figur 7). Det er ingen ytelsesreduksjon knyttet til den andre interne MOSFET-en. Den kombinerte PÅ-motstanden til begge MOSFET-ene er bare 53 mΩ, omtrent det samme som når en ekstern blokkerende MOSFET brukes.

Figur 7: E-sikringen TCKE712BNL,RF inkluderer to MOSFET-er (øverst i midten) slik at tilbakestrøm kan blokkeres uten at det er behov for en ekstern MOSFET. (Bildekilde: Toshiba)

Sammenlignet med konstruksjonene i TCKE8xx-serien som har fast spenning, har TCKE712BNL,RF et inngangsspenningsområde som går fra 4,4 til 13,2 volt. For å støtte dette området med mulige inngangsspenninger, har den en pinne for overspenningsvern (OVP – overvoltage protection) som gjør det mulig for konstruktører å angi nivået av overspenningsbeskyttelse for å imøtekomme spesifikke systembehov. I tillegg har TCKE712BNL en ekstra FLAG-pinne som gir en åpen drainsignal-utgang for å markere en feiltilstand.

Konklusjon

Det er avgjørende at brukere og elektroniske systemer er beskyttet, spesielt etter hvert som enheter blir mer utbredt og potensialet for feil øker. Samtidig må konstruktører holde kostnader og fysisk størrelse nede på et minimum, og også oppnå maksimal beskyttelsesfleksibilitet og oppfylle aktuelle beskyttelsesstandarder.

Med ultrarask drift, presisjon, pålitelighet og gjenbrukbarhet, gir e-sikringer konstruktører et høyytelses fleksibelt alternativ til konvensjonelle sikringer og PPTC-enheter, og de kommer med et bredt spekter av integrerte funksjoner som i stor grad forenkler oppgaven med å konstruere beskyttelse for brukere og kretser.

Anbefalt lesing

1. Slik velger og bruker du smart strømfølings- og overvåkingsteknologi (i stedet for sikringer)
2. Slik konstruerer du beskyttelseskretser som er kompatible med den nye AV/IKT-standarden IEC 62368-1