Fórum ElektroLab.eu

Elektronická poistka - jednoduchá cesta k ochrane citlivých obvodov

Elektronická poistka - jednoduchá cesta k ochrane citlivých obvodov
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  289 zobrazení
3
 0
Komponenty

Tepelné poistky sa úspešne používajú už viac ako 150 rokov ako základná ochrana elektronického obvodu. Sú efektívne, spoľahlivé, ľahko použiteľné a sú k dispozícii v rôznych hodnotách a variantoch. Niektoré aplikácie však vyžadujú funkcie, ktoré klasická tepelná poistka nedokáže poskytnúť. Jedná sa o extrémne rýchle obmedzenie prúdu, schopnosť samočinného resetu a tiež schopnosť fungovať pri relatívne nízkych hodnotách prúdu. Preto je tu poistka elektronická označovaná skratkou eFuse.

Elektronická poistka sa používa zvyčajne ako doplnok tepelnej poistky a niekedy aj ako jej plná náhrada. Elektronická poistka eFuse meria napätie na rezistore známej hodnoty, a tým sníma zároveň aj pretekajúci prúd. Ak dôjde k prekročeniu určitej hodnoty prúdu, dochádza k prerušeniu toku prúdu cez FET tranzistor. Tento článok popisuje funkciu a vlastnosti elektronickej poistky a jej efektívne využitie v elektronickom obvode. Predstavíme si elektronické poistky od spoločnosti Texas Instruments , Toshiba Electronic Devices and Storage  a STMicroelectronics.

Ako funguje elektronická poistka?

Princíp tepelnej poistky je jednoduchý, známy a spoľahlivý. Ak prúd prechádzajúci tavným prvkom presiahne stanovenú hodnotu, tento prvok sa dostatočne zahreje až dôjde k jeho roztaveniu. Tým sa preruší elektrický obvod a pretekajúci prúd je nulový. Prerušenie obvodu môže trvať niekoľko milisekúnd až niekoľko sekúnd. Preto existujú poistky rýchle a pomalé.

Naproti tomu elektronickej poistky fungujú na veľmi odlišnom princípe. Základný koncept elektronickej poistky eFuse je zobrazený na obrázku nižšie. Prúd do záťaže prechádza FET tranzistorom a snímacím rezistorom. Na snímacom rezistore sa vplyvom prechádzajúceho prúdu vytvorí zodpovedajúci úbytok napätia, ktorý je trvalo monitorovaný. Ak napätie prekročí prednastavenú hodnotu, riadiaca logika preruší tok prúdu pomocou FET tranzistora (obrázok nižšie). FET tranzistor, ktorý je zapojený do série (nachádza sa medzi napájacím vedením a záťažou), musí mať veľmi nízky odpor, aby zbytočne neplytval energiou a neovplyvňoval tak zvyšok obvodu.

Pri eFuse je prúd zo zdroja do záťaže monitorovaný napätím cez snímacie rezistor. Ak prekročí definovanú hodnotu, riadiaca logika preruší tok prúdu do záťaže pomocou FET tranzistora. (Zdroj obrázka: Texas Instruments)

Môže sa zdať, že elektronická poistka je zložitá a je to len aktívna verzia klasickej pasívnej tepelnej poistky. Pravda je to však len z časti, pretože elektronická poistka ponúka naviac nasledujúce vlastnosti:

  • Rýchlosť: Reakčná časy sa pohybujú v hodnotách mikrosekúnd, pričom niektoré sú navrhnuté dokonca tak, aby poskytovala nanosekundovou odozvu. Toto je dôležité pre obvody s relatívne citlivými integrovanými obvodmi.
  • Nízkonapäťový prevádzka: Elektronické poistky dobre fungujú aj pri značne nízkych napätiach v jednotkách voltov. Na týchto úrovniach nemožno pri klasickej tepelnej poistke napájať dostatočným "samoohrievacím" prúdom tak, aby došlo k spoľahlivému roztaveniu ich tavného prvku.
  • Resetovateľnosť: Elektronická poistka eFuse dáva užívateľovi možnosť výberu správania sa po aktivácii poistky. Obvod môže byť trvale prerušený do doby, kedy ho užívateľ sám neodblokuje alebo dôjde k obnoveniu normálnej prevádzky, ak aktuálna porucha ustúpi. Druhé nastavenie je obzvlášť užitočné v situáciách prechodného zapínacieho prúdu, kedy nedochádza k "tvrdej" poruche. Je tiež užitočné tam, kde je výmena poistky obtiažna alebo príliš nákladná.
  • Ochrana proti spätnému prúdu: Poistka eFuse môže poskytovať ochranu proti spätnému prúdu. To tepelná poistka nedokáže. Spätné prúdy môžu nastať vtedy, keď je napätie na výstupe systému vyššie ako na jeho vstupe. K tomu môže dôjsť napríklad pri redundantných zdrojov napájania zapojených paralelne.
  • Prepäťová ochrana: S niektorými ďalšími obvodmi môže eFuse poskytovať ochranu pred prepätím alebo indukčnými špičkami. Obvod sa preruší pomocou FET tranzistora, ak vstupné napätie prekročí nastavenú hodnotu a zostane v stave VYPNUTÉ, kým tento stav prepätia pretrváva.
  • Ochrana proti prepólovaniu: eFuse môže tiež poskytovať ochranu proti prepólovaniu a rýchlo prerušiť tok prúdu, ak je zdroj pripojený opačne. Príkladom je autobatéria, ktorá je na krátku chvíľu prepólovaná kvôli náhodnému neželanému kontaktu kábla.
  • Rýchlosť pri aktivácii / deaktivácii poistky: Niektoré elektronické poistky eFuse môžu tiež poskytovať definované nábehové rýchlosti pri zapnutí / vypnutí. Toto sa dosahuje presným riadením FET tranzistora.

Výber elektronickej poistky

Pri výbere elektronickej poistky eFuse je potrebné vziať do úvahy niekoľko základných parametrov. Hlavným parametrom je prúd, na ktorom má poistka plniť svoju funkciu. Ten sa môže pohybovať od niekoľkých miliampérov až do 10 A. Nemenej dôležitým parametrom je veľkosť maximálneho napätia, ktoré poistka vydrží na svojich svorkách. Pre niektoré elektronické poistky eFuse sú tieto dva parametre pevne dané z výroby, ale existujú typy, kde je možné nastaviť pomocou externého rezistora. Medzi ďalšie faktory, ktoré je nutné zvážiť je rýchlosť odozvy, kľudový prúd, veľkosťa počet externých komponentov.

Pri PLC sa poistky eFuse používajú v obvodoch, ktoré môžu byť náchylné k nesprávnemu pripojenie napájania. Keďže sa pri PLC vyskytujú prúdové rázy spôsobené pripojením či odpojením drôtových spojení za chodu. V týchto 24 voltových aplikáciách sa často používa elektronická poistka TPS26620 od Texas Instruments. Na obrázku nižšie je zobrazená táto poistka nastavená pre limit 500 mA. Pracuje od 4,5 V do 60 V. Poistka má integrované ochrany ako je prúdové obmedzenie, ochranu proti prepätiu, podpätiu a prepólovaniu.

Texas Instruments TPS26620 eFuse je v tejto 24voltovej PLC aplikácii nastavená tak, aby sa vypla pri prúde 500 mA. (Zdroj obrázka: Texas Instruments)

Časové diagramy na obrázku nižšie sú pre poistku TCKE805 od Toshiby. Je vhodná pre napätie do 18 V a výstupný prúd 5 A. Tieto diagramy ukazujú implementáciu režimu auto-retry a režimu latch. Režim auto-retry sa nastavuje pomocou pinu EN / UVLO.

Toshiba TCKE805 18 V, 5 A eFuse používa postupnosť testov na posúdenie, či je bezpečné obnoviť tok prúdu. (Zdroj obrázka: Toshiba)

Ak výstupný prúd nastavený externým odporom (RLIM) prekročí hodnotu medzného prúdu (I LIM), kvôli chybe záťaže alebo skratu, výstupný prúd a výstupné napätie sa zníži, čím sa obmedzí aj výstupný výkon. Keď výstupný prúd dosiahne prednastavené hraničné hodnoty a je detekovaný nadprúd, je výstupný prúd obmedzený tak, aby nepretekalo viac prúdu než ILIM.

Ak v tejto fáze stále nadprúd trvá teplota eFuse ďalej stúpa. Keď teplota eFuse dosiahne hraničnej teploty pre tepelné vypnutie, eFuse pomocou MOSFET tranzistora preruší tok prúdu. Špeciálne funkcie režimu auto-retry pozastaví prúd, a to má za následok zníženie teploty a uvoľnenie tepelného vypnutie. Pokiaľ teplota opäť stúpne, cyklus sa opakuje, kým nie je odstránený nadprúd. Naproti tomu režim Latch odopne výstup, kým sa eFuse nevynuluje pomocou pinu Enable (EN / UVLO) IC (Obrázok nižšie).

V režime Latch, na rozdiel od režimu auto-retry, sa Toshiba eFuse neresetuje, kým k tomu nebudete vyzvaná cez pin Enable (EN / UVLO) IC. (Zdroj obrázka: Toshiba)

Niektoré poistky eFuse možno nakonfigurovať tak, aby prekonávali problémy spojené so snímaním prúdu cez rezistor (pokles napätia). 3,3 voltová elektronická poistka STEF033AJR od STMicroelectronics má nominálny maximálny prúd 3,6 A a hodnotu odporu FET tranzistora 40 MOhm pre puzdro DFN. Pre puzdro Flip-Chip sú to hodnoty 2,5 A a 25 MOhm. V klasickom zapojení znázornenom na obrázku nižšie môže byť pri vyšších hodnotách prúdu pokles napätia približne 15 mV.

Pri bežnom zapojení STEF033AJR je medzi dvoma svorkami umiestnený odpor, ktorý stanovuje maximálne hodnoty R-lim. (Zdroj obrázka: STMicroelectronics)

Úpravou klasického zapojenia (rezistor sa umiestni medzi pozitívne svorku ILIM + a výstupné napätie (VOUT / Source) sa implementuje Kelvinove usporiadanie, ktoré kompenzuje pokles napätia.

Aby sa znížili úbytky napätia, je záporná strana limitného rezistora pripojená na napäťové výstupu (VOUT / SOURCE). (Zdroj obrázka: STMicroelectronics)

Aj keď sú poistky eFuse polovodičové, môžu pracovať v širokom rozmedzí prevádzkového napätia. Napríklad poistky TPS2662x  od Texas Instruments sú dimenzované pre prevádzku od 4,5 do 57 V.

eFuse: Vyrobiť alebo kúpiť?

Elektronickú poistku možno zostaviť z diskrétnych súčiastok pomocou dvoch FET tranzistorov, odporu a cievky. Najstaršie poistky eFuse boli týmto spôsobom takto postavené, pričom cievka slúžila na dva účely. Ako filter jednosmerného výstupného napätia a tiež aj ako snímací rezistor (odpor vynútia). Aj keď sa vylepší takto postavená elektronická poistka niekoľkými ďalšími súčiastkami, stále bude poskytovať iba základné funkcie.

Poistka eFuse so základnými funkciami zostavená pomocou niekoľkých diskrétnych komponentov. (Zdroj obrázka: Texas Instruments)

Problémom je, že aktívne a pasívne diskrétne komponenty majú rôzne odchýlky, ktoré spôsobujú odchýlky vo výslednom výkone medzi jednotlivými obvodmi. Ďalším problémom je starnutie jednotlivých komponentov a ich  teplotný drift. Stručne povedané, diskrétne riešenie pre "kutilov" má rad obmedzení:

  • Diskrétne obvody všeobecne používajú pre priechod prúdu tranzistor MOSFET s kanálom P, ktorý je všeobecne drahší ako MOSFET s N-kanálom, pokiaľ ide o dosiahnutie rovnakej hodnoty odporu (R DS (ON)).
  • Diskrétne riešenia nie sú tak účinné, pretože vykazujú rozptyl energie cez diódu a tomu zodpovedajúcim zvýšením teploty.
  • Pre diskrétne obvody je ťažké zahrnúť adekvátnu tepelnú ochranu pre priechodzia tranzistor. Vo výsledku musí byť táto ochrana vynechaná alebo musí byť navrhnutá podstatne predimenzovaná, aby poskytovala bezpečný chod.
  • Komplexný diskrétny obvod vyžaduje veľa komponentov, a tým zaberá značný priestor na doske.
  • Hoci je rýchlosť nábehu výstupného napätia v diskrétnom riešení nastaviteľná pomocou odporových a kondenzátorových komponentov (RC), je nutné ich dimenzovať vzhľadom na charakteristiky tranzistora FET.

Stále sa ale diskrétne riešenie nevyrovná riešeniu pomocou integrovaného obvodu. eFuse v podobe integrovaného obvodu ponúka všetky skôr spomínané funkcie, ako je vidieť na blokovej schéme na obrázku nižšie. Okrem toho je eFuse ako integrovaný obvod menší, má konzistentnejší a stabilný definovaný výkon, a jeho cena je nižšia. Špecifikácia pre eFuse TPS26620 obsahuje niekoľko desiatok výkonnostných grafov a časových diagramov pokrývajúcich rôzne prevádzkové podmienky, ktoré pri diskrétnom riešení nie je možné realizovať. 

Vonkajšia jednoduchosť a vzhľad plne vybavenej eFuse skrýva jeho vnútornú zložitosť, ktorú by bolo veľmi ťažké reprodukovať pomocou diskrétnych komponentov. (Zdroj obrázka: Texas Instruments)

Prečo sa rozhodnúť pre eFuse v podobe integrovaného obvodu je to, že poistky musia spĺňať rôzne bezpečnostné štandardy, a práve použitím certifikovaných eFuse integrovaných obvodov sa nám značne zjednoduší cesta vývoja.

Napríklad poistky eFuse z radu TPS2662x vyhovujú štandardu UL 2367 ( "Špeciálne nadprúdový chránič v pevnej fáze") a sú certifikované podľa IEC 62368-1 (Zariadenia pre audio / video, informačné a komunikačné technológie - Časť 1: Bezpečnostné požiadavky). Spĺňajú tiež normu IEC 61000-4-5 ( "Elektromagnetická kompatibilita (EMC) - časť 4-5: Skúšobné a meracie techniky - Skúška odolnosti proti rázom"). Tieto elektronické poistky sú podrobené testom na požadovaný výkon i za podmienok, ktoré zahŕňajú minimálnu a maximálnu prevádzkovú teplotu, minimálnu a maximálnu teplotu skladovania a prepravy, rozsiahle abnormálne a vytrvalostné testy a tepelné cykly.
 

Záver

Elektronické poistky eFuse pomáhajú konštruktérom splniť požiadavky na rýchle odpojenie, samočinné resetovanie a spoľahlivú prevádzku aj pri nízkych hodnotách prúdu a napätia. Majú integrované ochranné prvky a nastaviteľné rýchlosti vybavenia. Ako už bolo uvedené, eFuses môžu nahradiť štandardné tepelnej poistky, aj keď v mnohých prípadoch sa používajú ako jej doplnok. Rad elektronických poistiek eFuses je certifikovaná podľa prísnych bezpečnostných noriem, a vďaka tomu sa značne zjednodušuje a zrýchľuje vývoj zariadení.

Ďalšie informácie:

  1. IEC 62368-1 Is on Its Way: The New Safety Standard for ICT and AV Equipment
  2. The Right Power Supply is Critical to Meet the New IEC/UL IEC-62368 Consumer Product Safety Mandate
  3. Fuse Tutorial
  4. How to Select and Apply Smart Current Sensing and Monitoring Technologies


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár. Pridáte prvý? Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

Webwiki ButtonSeo servis