Hvorfor og hvordan effektivt bruke elektroniske sikringer til å beskytte følsomme kretser

Termiske sikringer har blitt brukt med hell i over 150 år som en grunnleggende kretsbeskyttelsesenhet. De er effektive, pålitelige, enkle å bruke og leveres i en rekke verdier og variasjoner for å oppfylle forskjellige konstruksjonsformål. De har imidlertid uunngåelige mangler for designere som leter etter ekstremt raske strømbrudd, evnen til å tilbakestille seg selv, så vel som evnen til å fungere ved relativt lave strømverdier. For disse designerne er elektroniske sikringer – ofte skrevet som e-sikring eller eSikring – en utmerket løsning, som noen ganger erstatter, men vanligvis supplerer, den termiske sikringen.

E-sikringer er basert på et enkelt konsept for strømdeteksjon (strømføling) ved å måle spenning på tvers av en kjent motstand, og deretter slå av strømstrømmen via en felt-effekttransistor (FET) når den overskrider en dimensjonerende grense. E-sikringen tilbyr funksjoner, fleksibilitet og funksjoner som en termisk sikring ikke kan tilby.

Denne artikkelen beskriver hvordan e-sikringer fungerer. Den vil deretter utforske funksjonene, tilleggsfunksjonaliteten og effektiv bruk av disse aktive kretssikringene. Underveis vil eksempelløsninger fra Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage og STMicroelectronics bli introdusert, samt deres effektive bruk skissert.

Hvordan fungerer e-sikringer?

Driftsprinsippet for en konvensjonell termisk sikring er enkelt, velkjent og pålitelig: Når strømmen som passerer gjennom sikringstråden (smeltetråden) overskrider dimensjonerende verdi, varmes elementet opp tilstrekkelig til å smelte. Dette bryter strømbanen – og strømmen går til null. Avhengig av sikringens klassifisering og type, så vel som mengden overstrøm, kan en termisk sikring reagere og åpne strømbanen på noen hundre millisekunder til flere sekunder. Som det selvfølgelig er med alle aktive og passive komponenter, er det mange variasjoner, subtiliteter og skygger av drift tilgjengelig for denne helt passive enheten som er enkel i prinsippet.

Elektroniske sikringer fungerer derimot etter et helt annet prinsipp. De tilbyr noe av samme funksjonalitet, men legger også til nye, forskjellige funksjoner og egenskaper. Det grunnleggende e-sikringkonseptet er også enkelt: Strømmen til lasten går gjennom en FET og en følemotstand, så overvåkes via spenningen over den følemotstanden. Når den overskrider en forhåndsinnstilt verdi, kutter kontrolllogikkens FET og kutter strømflyten (figur 1). FET-en, som er i serie med forsyningsledningen og lasten, må ha svært lav på-motstand (motstand i påslått tilstand) slik at den ikke induserer overdreven strøm-motstand (IR) fall eller tomgangsenergi.

Figur 1: I en e-sikring, når strøm fra tilførsel til last går gjennom en følemotstand, overvåkes den via spenningen over den motstanden. Når den overskrider en angitt verdi, slår kontrollogikken av FET-en og blokkerer strømflyten til lasten. (Bildekilde: Texas Instruments)

Det kan se ut som om en e-sikring ganske enkelt er en mer komplisert, aktiv versjon av den klassiske, passive termiske sikringen. Selv om det er sant, tilbyr eFuse også noen unike egenskaper:

Hastighet: De er hurtigvirkende enheter med reaksjonstider for utkopling på mikrosekunder, noen har også reaksjonstider (utkopling) på nanosekunder. Dette er viktig for dagens kretser med relativt følsomme IC-er og passive komponenter.

Lavstrømsdrift: Ikke bare kan e-sikringer konstrueres for å fungere ved lave strømmer (i størrelsesorden 100 milliampere (mA) eller mindre), men de fungerer også godt ved lave, ensifrede spenninger. På disse nivåene kan termiske sikringer ofte ikke forsynes med tilstrekkelig selvopphetende strøm til å indusere smelting av sikringstråden.

Tilbakestillbare: Avhengig av den spesifikke modellen, tilbyr e-sikringer valget mellom å forbli av etter at den er aktivert (kalt sperremodus – latch-off mode), eller å gjenoppta normal drift hvis den nåværende feilen avtar (automatisk nytt forsøk-modus – auto-retry modus). Sistnevnte innstilling er spesielt nyttig i forbigående situasjoner med innkoblingsstrømstøt, der det ikke er noen «hard» feil, for eksempel når et kort er koblet til en strømdrevet buss. Det er også nyttig der utskifting av sikringen er vanskelig eller kostbart.

Tilbakestrømsbeskyttelse: En e-sikring kan også gi tilbakstrømsbeskyttelse, noe en termisk sikring ikke kan gjøre. Tilbakestrøm kan oppstå når spenningen ved systemutgangen er høyere enn ved inngangen. Dette kan for eksempel skje med et sett redundante strømforsyninger i parallellkobling.

Overspenningsvern (overspenningsbeskyttelse): Med noen ekstra kretser kan e-sikringen også gi overspenningsvern mot overspenninger eller induktive tilbakeslag, som slår av FET-en når inngangsspenningen overstiger det innstilte utløsningspunktet for overspenningsvernet, og forbli i AVSLÅTT tilstand så lenge overspenningstilstanden vedvarer.

Beskyttelse mot omvendt polaritetsfeil: e-sikringen kan også gi beskyttelse mot omvendt polaritetsfeil og raskt kutte strømføringen, hvis kilden er tilbakekoblet. Et eksempel er et bilbatteri som blir tilbakekoblet et kort øyeblikk på grunn av utilsiktet kabelkontakt.

Rampefunksjon for stigehastighet (stigehastighetsramping): Noen avanserte e-sikringer kan også gi definert avstengnings-/oppstartsstrøm stigehastighetsramping ved å styre på/av-overgangen til gjennomløpselement-FET-en, via en ekstern styring eller ved hjelp av faste komponenter.

På grunn av dette er e-sikringer en attraktiv løsning for strømregulering. Selv om de kan brukes i stedet for termiske sikringer i noen tilfeller, brukes de ofte i par. I et slikt arrangement brukes e-sikring til punktbeskyttelse med rask respons for underkretser eller kretskort, for eksempel i varmvekslingssystemer (for tilkobling/plugging under drift), bilenheter, PLC-er (programerbare logiste styringer) og styringer av batterilading/utladning; den supplerende (komplementære) termiske sikringen gir beskyttelse på systemnivå mot store, grove feil der en hard og permanent avstengning er nødvendig.

På denne måten får designeren det beste fra begge verdener, med alle mulighetene til e-sikringer pluss klar, entydig drift med termisk sikring. Dette oppnås uten tekniske kompromisser eller ulemper. Det er selvfølgelig noen kompromisser som med enhver designbeslutning. I dette tilfellet er det en gradvis økning i plassforbruk og en litt større materialkostnader.

Velge en e-sikring: Funksjoner og bruksområder

Når du velger en e-sikring, er det noen grunnleggende parametere å ta i betraktning. Den øverste betraktningen er – ikke overraskende – strømnivået sikringen virker på. Dette kan vanligvis variere fra under 1 ampere (A) opp til ca. 10 A, samt den maksimale spenningen sikringen tåler på tvers av terminalene. For noen e-sikringer er dette gjeldende spenningsnivået fast, mens det for andre kan angis av brukeren via en ekstern motstand. Andre utvalgsfaktorer er responshastighet, stillestående strøm, størrelse (monteringsflate), samt antall og type eksterne støttekomponenter som trengs, hvis noen. I tillegg må designere vurdere eventuelle tilleggsfunksjoner og funksjoner de forskjellige modellene e-sikringer kan tilby.

PLS-er er for eksempel en applikasjon der e-sikringer er fordelaktige i forskjellige underkretser som kan være utsatt for I/O-sensorer og feiltilkobling av strøm. Det er også strømoverspenninger når ledningstilkoblinger er tilkoblet eller kretskort blir utskiftet under drift En eFuse som Texas Instruments TPS26620 brukes ofte i disse 24-volts enhetene. Det er vist en innstilt grense på 500 mA i Figur 2. Den opererer fra 4,5 volt til 60 volt ved opptil 80 mA, med en programmerbar strømgrense, overspenning, underspenning og reverspolaritetsbeskyttelse. IC-en kan også kontrollere innkoblingsstrømstøt og gi robust beskyttelse mot reverserende strøm og feilkoblingsforhold i felt for både I/O-moduler i PLS-er og strømforsyninger for sensorer.

Figur 2: TPS26620 eFuse fra Texas Instruments er angitt til å utløses ved en strøm på 500 mA i denne 24 volts likestrøms (DC) PLC-enheten. (Bildekilde: Texas Instruments)

Timingdiagrammene i figur 3 for ToshibaTCKE805, en e-sikring på 18 volt, 5 A, viser hvordan en leverandør har implementert modusene nytt forsøk-modus (auto-retry) kontra sperremodus (latched modes). I automatisk nytt forsøk-modus (auto-retry) (innkoblet av EN/UVLO-pinnen) forhindrer overstrømsbeskyttelsesfunksjonen skade på e-sikringen og den tilkoblede lasten lasten ved å dempe strømforbruket i tilfelle en feil.

Figur 3: Toshiba e-sikring TCKE805 på 18 volt, 5 A bruker en sekvens med test-og-gjenta-syklus for å bedømme om det er trygt å gjenopprette strømmen. (Bildekilde: Toshiba)

Hvis utgangsstrømmen, innstilt av ekstern motstand (R_LIM ), overstiger grensestrømverdien (I_LIM ) på grunn av en lastfeil eller kortslutning, reduseres utgangsstrømmen og utgangsspenningen og begrenser dermed strømmen som forbrukes av IC-en og lasten. Når utgangsstrømmen når den forhåndsinnstilte grenseverdien og overstrømmen oppdages, blokkeres utgangsstrømmen slik at ikke mer strøm enn I_LIM flyter. Hvis overstrømssituasjonen ikke løses på dette stadiet, opprettholdes denne klemmede tilstanden og temperaturen på e-sikringen fortsetter å stige.

Når temperaturen på e-sikringen når driftstemperaturen til termisk avstengningsfunksjon, blir MOSFET-en i e-sikringen slått av, og sikringen bryter strømmen helt. Operasjonen nytt forsøk-modus (auto-retry) forsøker å gjenopprette strømflyten ved å stoppe strømmen, noe som senker temperaturen og frigjør termisk avstengning. Hvis temperaturen stiger igjen, gjentas syklusen og stopper operasjonen til overstrømssituasjonen er eliminert.

I kontrast klemmer sperremodus utgangen til eFuse tilbakestilles via aktiveringspinnen (EN/UVLO-enable pin) på IC-en (figur 4).

Figur 4: I sperremodus (latch mode), i motsetning til nytt forsøk-modus (auto-retry), tilbakestilles ikke Toshiba-e-sikringen før instruert til å gjøre det via innkoblingssignalet på IC-ens aktiveringspinne (EN/UVLO-enable pin). (Bildekilde: Toshiba)

Enkelte e-sikringer kan konfigureres for å få bukt med problemer knyttet til strømdeteksjon (strømføling) over en motstand, for eksempel det tilhørende IR-fallet som reduserer skinnespenningen på utgangssiden. Den 3,3 volts STEF033AJR fra STMicroelectronics har for eksempel nominell maksimale strøm- og FET-motstandsverdier på henholdsvis 3,6 A og 40 milliohm (mΩ) for DFN-kapslingen; og 2,5 A og 25 mΩ for flip-chip-kapslingen. I den konvensjonelle forbindelsen vist i figur 5, ved høyere strømverdier, kan selv et beskjedent IR-fall på ca. 15 millivolt (mV) i forsyningsskinnen gjennom på-motstanden være betydelig og bekymringsfullt.

Figur 5: I den konvensjonelle kablingen til STEF033AJR plasseres motstanden som etablerer grenseverdien, R-lim, mellom to angitte terminaler. (Bildekilde: STMicroelectronics)

Ved å endre den konvensjonelle tilkoblingen ved å sette motstanden mellom den positive sidegrensetilkoblingen og utgangsspenningstilkoblingen (V_UT/kilde), implementeres et Kelvin-sensorarrangement som kompenserer for IR-fallet (figur 6).

Figur 6: For å redusere virkningene av strømfølende IR-fall, er den negative siden av grensemotstanden koblet til spenningsutgangen (V_UT/kilde). (Bildekilde: STMicroelectronics)

Merk at selv om e-sikringer er halvledere og kan fungere ned til ensifrede spenninger, er de ikke begrenset til det lave området. E-sikringer i Texas Instruments TPS2662x-familien er for eksempel klassifisert for drift fra 4,5 til 57 volt.

e-sikring: Lag eller kjøp?

I prinsippet er det mulig å bygge en grunnleggende e-sikring fra frittstående (diskrete) komponenter ved hjelp av et par FET-er, en motstand og en induktor. De tidligste e-sikringene ble bygget på denne måten, og induktoren tjente to formål: filtrering av DC-utgangen (likestrøm) og fungerte også som en følemotstand ved hjelp av DC-motstanden i viklingene.

En forbedret e-sikring med mer konsistent ytelse som tar hensyn til egenskapene til komponentene, i tillegg til driftsmessige hensyn i den virkelige verden, krever imidlertid mer enn noen få frittstående (diskrete) komponenter. Selv med tilleggskomponentene kan den bare gi grunnleggende e-sikring-funksjonalitet (figur 7).

Figur 7: En e-sikring med grunnleggende funksjonalitet ved hjelp av frittstående (diskrete) komponenter må forutse og overvinne deres iboende begrensninger. (Bildekilde: Texas Instruments)

Realiteten er at akkumuleringen av aktive og passive frittstående (diskrete) komponenter snart blir vanskelig, er tilbøyelig til variasjoner i ytelse fra enhet til enhet, og har problemer knyttet til innledende toleranse, komponentaldring og temperaturindusert drift. Kort sagt, et frittstående (diskrete) selvlaget produkt (DIY) har mange begrensninger:

• Frittstående (diskrete) kretser bruker vanligvis en P-kanals MOSFET som et gjennomløpselement, noe som er dyrere enn en N-kanals MOSFET med hensyn til å oppnå den samme motstandsverdien (R_DS(ON)).
• Frittstående (diskrete) løsninger er ineffektive ettersom de inkluderer effekttap over en diode med en tilsvarende økning i kretskorttemperaturen.
• Det er vanskelig for frittstående (diskrete) kretser å inkludere tilstrekkelig termisk beskyttelse for gjennomløpselement-FET-en. Som et resultat må denne kritiske forbedringen utelates, eller konstruksjonen må være vesentlig overdimensjonert for å gi et egnet trygt driftsområde (safe operating area – SOA).
• En omfattende frittstående (diskrete) krets trenger mange komponenter og betydelig kortplass, og behovet for beskyttelseskretsens robusthet og pålitelighet tilfører ytterligere komponenter.
• Selv om utgangsspenningens dreiehastighet i frittstående (diskrete) konstruksjoner kan justeres ved hjelp av motstands- og kondensatorkomponenter (RC-komponenter), må disse komponentene dimensjoneres med nøye forståelse av portegenskapene til gjennomløpselement-FET-en.

Selv om en frittstående (diskrete) komponentløsning var akseptabel, ville den være begrenset i sine funksjoner sammenlignet med en IC-løsning. Sistnevnte kan omfatte noen eller alle av de mange tilleggsfunksjonene som tidligere er nevnt, som vist i figur 8 blokkdiagrammet for e-sikringen. I tillegg er IC-løsningen mindre, har mer konsistent og fullt karakterisert ytelse, og tilbyr en implementering med «sinnsro» som en flerkomponentløsning ikke kan tilby, og gjør det til en lavere kostnad. Vær oppmerksom på at TPS26620-databladet har flere dusiner ytelsesgrafer og timingdiagrammer som dekker en rekke driftsforhold, som alle vil være vanskelige å lage for frittstående (diskrete) «merke»-tilnærmingen.

Figur 8: Den ytre enkelheten og utseendet til en fullfunksjonell e-sikring skjuler dens interne kompleksitet, som ville være svært vanskelig å gjengi ved hjelp av frittstående (diskrete) komponenter. (Bildekilde: Texas Instruments)

Det er en annen kritisk grunn til å kjøpe en standard e-sikring-IC i stedet for å gå for en selvlaget frittstående (diskrete) løsning: godkjenning fra tilsynsorgan. Mange sikringer – termiske og e-sikringer – brukes til sikkerhetsrelaterte funksjoner for å hindre forhold der overdreven strøm kan forårsake overoppheting av komponenten og muligens brann, eller forårsake skade på brukerne.

Alle konvensjonelle termiske sikringer er godkjent av de forskjellige reguleringsorganene og standardene for å gi en feilsikker strømavstengning når de brukes på riktig måte. Det ville imidlertid være svært vanskelig og tidskrevende, og sannsynligvis til og med umulig å få de samme godkjenningene for en frittstående (diskrete) løsning.

Mange av e-sikring-IC-ene er derimot allerede godkjent. E-sikringer i TPS2662x-serien er for eksempel UL 2367-gjenkjent («faststoff-overstrømsbeskyttelse for spesialformål – Special-purpose Solid-state Overcurrent Protector» og IEC 62368-1-sertifisert (Lyd-/video-, informasjons- og kommunikasjonsteknologiutstyr – Del 1: Sikkerhetskrav). De oppfyller også IEC 61000-4-5 («Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) – Del 4–5: Testing og måleteknikker – Overspenningsimmunitetstest»). For å være så sertifisert, testes disse e-sikringene for ytelse i sin grunnleggende rolle, så vel som under forhold som inkluderer minimum og maksimum driftstemperaturer, minimum og maksimum lagrings- og transporttemperaturer, omfattende unormale tester og utholdenhetstester og termisk syklus.

Konklusjon

e-sikringer, som bruker aktive kretser i stedet for en smeltelink for å slå av strømgjennomstrømningen, hjelper konstruktørene med å oppfylle krav som inkluderer rask avstengning, selvtilbakestilling og pålitelig drift under lave strømforhold. De leveres også med forskjellige beskyttelsesfunksjoner, samt justerbare svingfrekvenser. Dermed er de et verdifullt tillegg til ingeniørens sett med beskyttelseskomponenter for kretser og systemer.

Som nevnt kan e-sikringer erstatte konvensjonelle termiske sikringer, selv om de i mange tilfeller gir lokalisert beskyttelse og suppleres med termisk sikring. I likhet med den ærverdige termiske sikringen er mange av e-sikringene også sertifisert for bruk i sikkerhetsrelaterte funksjoner, og utvider dermed deres allsidighet og anvendelighet.

Ytterligere lesning

1. «IEC 62368-1: En introduksjon av den nye sikkerhetsstandarden for ICT- og AV-utstyr»
2. “Den rigtige strømforsyningen for å oppfylle den nye elsikkerhetsstandarden for forbrukerprodukter IEC/UL IEC-62368Mandate”
3. «Opplæringsvideo i sikringer»
4. «Slik velger du riktig og bruker smarte strømsensorer- og overvåkingsteknologi (i stedet for sikringer)»