Den intelligente sikring - Elektronikknett
Toshiba-efuse

Den intelligente sikring

Noen av historiens store forskere er uløselig knyttet til ingeniørarbeid på laboratoriebenken. Vi sender noen tanker til den tyske fysikeren George Ohm når vi håndterer motstander. Det samme gjelder den engelske forskeren Michael Faraday når vi velger kondensatorene våre, og den amerikanske forskeren Joseph Henry når vi dimensjonerer induktorer. Og mens det 19. århundre smilte vennlig mot disse tre elektriske kjernekomponentene, ser det ut til at interessen avtok før noen kvantifiserte egenskapene til den beskjedne sikringen.

Artikkelforfatteren Turadj Aliabadi er senior markedssjef for Discrete Semiconductor, Toshiba Electronics Europe

Hvis noen skal hedres for utviklingen av den enkle sikringen, hvis navn stammer fra det latinske fusus (smeltet), bør det sannsynligvis være Arthur C. Cockburn. Selv om noe av hans eksperimentelle nøyaktigheter ble hånet av Londons nyopprettede Society of Telegraph Engineers under et møte i 1888, viser det seg at han klarte vitenskapelig å bestemme faktorene for å lage en pålitelig sikring. Hans arbeid fant at de skulle bryte (el. smelte) på rundt 150% til 200% av den nominelle strømmen til kretsen som ble beskyttet. Med telegrafarbeidere som måtte beskyttes mot lynnedslag og elektrisk belysning i sin spede begynnelse, ble sikringen en viktig sikkerhetskomponent for en ny industri.

Sikringer: hva de kan, og hva de mangler
Sikringer er offerelementer basert på en smal ledningsseksjon som er laget for å smelte, og kutter strømmen dersom for mye strøm kommer inn i utstyret som skal beskyttes. Sikringer er, i motsetning til deres endimensjonerte medkomponenter, dimensjonert for to enheter: Strøm og tid. Strømgrensen definerer den øvre grensen for tillatt strømføring før sikringen ofrer seg selv. Tidselementet tillater naturlig forekommende strømstøt utover den spesifiserte strømgrensen, slike som ofte oppstår når et produkt slås på.

Det er offerdelen som er hovedproblemet bak sikringer, noe som betyr at når en sikring ryker, må årsaken sjekkes og deretter erstattes hvis det er trygt å gjøre det. Dette er tidkrevende, forårsaker forsinkelse og er noen ganger utfordrende og kostbart avhengig av hvordan sikringen er integrert og tilgjengeligheten til utstyret.

Ofte oppstår en overstrøm på grunn av brukerfeil, for eksempel en kortslutning når du setter inn en defekt USB-enhet i en PC eller bærbar PC. I stedet for å bruke en offeranordning, bruker strømforsyningene til slike enheter ofte polymere positive temperaturkoeffisientenheter (PPTC). I en type resistor med lav motstand, vil motstanden ved feil stige raskt på grunn av oppvarming ved for store strømmer, noe som i hovedsak begrenser strømflyten. Når feilen er fjernet, kjøles enheten ned og returnerer i nærheten av sin opprinnelige lave motstand. I dagens verden av generelt trygge elektriske produkter gir PPTC’er beskyttelse og krever heller ikke at en servicetekniker skal få dem til å fungere igjen etter den mest sannsynlige årsaken til feilen; brukerfeil.

Ikke så rask
Det skal bemerkes at ingen av enhetene har spesielt rask beskyttelsesfunksjon. Sikringer bruker vanligvis et sekund på å ryke, mens PPTC’er reagerer raskere, men det kan likevel ta sekunder for å oppnå full strømbegrensning. Mens sikringer kobler apparater fra strømmen, slipper PPTC’er fortsatt en liten strøm gjennom selv når den er utløst. Begge enhetene er også avhengige av driftstemperatur, så en effektreduksjon ved høyere driftstemperaturer må tas med i utformingen.

Den smarte sikringen
Halvlederteknologi har blitt brukt til å forbedre eller erstatte en rekke komponenter i løpet av de siste tiårene, og senest har eFuses fortsatt denne trenden ved å erstatte sikringer og PPTC’er. Datamaskinkort, ledere i kretskortet som leverer til SATA-harddisker eller USB-porter, drar fordel av den forbedrede beskyttelsen eFuses gir sammen med muligheten til å tilbakestille dem når feilen er fjernet ved hjelp av et enkelt logisk grensesnitt.

eFuses bruker avanserte silisiumprosesser som implementerer MOSFET-brytere med lav motstand, og gir lite strømtap under drift. Integrerte analoge komparatorer er i stand til å overvåke strømmen nøyaktig, og reagere i løpet av mikrosekunder for å kutte strømforsyningen fullstendig. Sammen med en vertsprosessor kan det tas en beslutning om årsaken til feilen og når strømmen skal gjenopprettes via eFuse-grensesnittet.

Siden den er et halvlederprodukt, kan den tilby en rekke andre nyttige funksjoner. Overvåking av overtemperatur, overspennings-klemming (-clamping), underspennings-lockout og motstrømsbeskyttelse er bare noen av de ekstra funksjonene.

efuse1 Figur 1: Eksempel på applikasjonskrets for en eFuse-beskyttelsesløsning.

Integrering av eFuse-teknologi
Selvfølgelig kan alle applikasjoner som gir strøm til brukertilpassede tilleggsmoduler, som oscilloskopprober eller programmerbare logiske kontrollere (PLC), dra nytte av eFuse-teknologi. Løsninger som TCKE8xxx-serien fra Toshiba er enkelt å integrere takket være en kompakt 3,0 x 3,0 x 0,7 mm WSON10B-pakke (figur 1). Komponenten har en kortslutnings tripstrøm på 5,0 A med en nøyaktighet på ± 11%, og kan også enten automatisk prøve på nytt eller låses, avhengig av hvilken enhet som brukes.

Takket være den integrerte hurtigtripkomparatoren fjerner enhetene strøm ved feil innen 150 ns. Serien er også sertifisert i henhold til IEC 62368.

Motstanden (RON) på den integrerte bryteren er 28 mΩ, mens forsinkelseshastigheten som kontrollerer innstrømmen og underspennings-lockout kan settes ved hjelp av eksterne komponenter. Intern temperaturovervåking gir også beskyttelse, og ved 160°C slås utgangen av automatisk. Avhengig av hvilken eFuse som er valgt, kan denne beskyttelsen låses og vil kreve tilbakestilling via EN-aktiveringspinnen, eller bryteren vil slå på strømmen når den er avkjølt med rundt 20°C. Overspenningsklemmen som tilbys bestemmes av den spesifikke enheten.

efuse2 Figur 2.

En eFuse gir en kompakt løsning i USB-ladere og batteripakker, og beskytter ladeuttaket (figur 2). TCKE805NL gir en optimal passform med låst beskyttelse sammen med en overspenningsklemme som er fast på 6,04 V. En 75kΩ motstand koblet til ILIM sørger for å begrense strømmen til 1,5 A, mens en 2 nF kondensator gir en påslagstid på 4 ms. Inn- og utgangskondensatorer på 1,0 µF plassert nær VIN- og OUT-pinnene reduserer overspenning og underspenning ved plutselige endringer i strømtrekk. Om nødvendig kan en N-Channel FET også integreres for å beskytte mot reversstrømmer.

Oppsummering
Det er nesten synd at den beskjedne sikringen aldri har oppnådd den samme statusen som dens elektriske komponenter, til tross for at den er vitenskapelig studert i omtrent samme periode. Sikringer og PPTC har vært en viktig del av vårt sikkerhetsverktøy i mange år. Imidlertid er typen beskyttelse som kreves i dag, ofte mot menneskelige feil snarere enn systemfeil. Konfigurerbare eFuses gir applikasjoner pålitelig, men tilbakestillbar beskyttelse, noe som bidrar til å forlenge levetiden til applikasjoner og redusere behovet for støtte fra en tekniker.

Kommentarer