Virtapiirien IEC- ja UL-turvastandardit täyttävä suojaus kompaktilla, joustavalla ja tarkalla tavalla

Laitteiden ja loppukäyttäjien suojaus mahdollisesti vaarallisilta jännitteiltä, virroilta ja lämpötiloilta on tarpeen useissa sovelluksissa, kuten USB Type-C® ‑verkkovirta-adapterit, verkkolaitteet sekä kuluttaja- ja teollisuusmarkkinoiden sähkölaitteet. Tavanomaiset varokkeet ja PTC-termistorit mahdollistavat kompaktit ratkaisut ja tarjoavat suojaa jossain määrin. Yhä useammissa sovelluksissa tarvitaan kuitenkin korkeampia suojaustasoja ja enemmän monipuolisuutta, mukaan lukien nopeammat vasteajat, ohjelmoitavat ja nollattavat ylijännitesuojaimet (Overvoltage Protection, OVP), ylivirtasuojaimet (Overcurrent Protection, OCP), alijännitelukitukset (Undervoltage Lockout, UVLO), ylikuumenemissuojaimet (Overtemperature Protection, OTP), pehmeä startti ja/tai vastavirran esto (Reverse-Current Blocking, RCB). USB Type-C ‑verkkovirta-adapterien täytyy myös tukea nopeaa roolinvaihtoa (Fast Role Swapping, FRS), joka täyttää USB Power Delivery ‑tekniikan ajoitusvaatimukset.

On mahdollista suunnitella kaikilla näillä toiminnoilla varustettuja suojapiirejä, mutta suunnitteluprosessi vie aikaa. Myös UL- tai IEC 62368-1 ‑turvasertifioinnin saaminen voi viivästyttää markkinoille pääsyä entisestään. Lisäksi erilliskomponenttien käyttö voi kasvattaa ratkaisun tilantarvetta.

Suunnittelijat voivat toteuttaa UL- ja IEC-turvastandardit täyttävät suojaustoiminnot kompaktilla ja tarkalla tavalla hyödyntämällä e-sulake-regulaattoreita. Näiden integroitujen suojapiirien ohjelmoitavat suojausrajat antavat enemmän joustavuutta suunnitteluun, ja suojaus voi joko jäädä päälle tai automaattisesti palautua kun vika poistuu. Niillä on matala johtamisresistanssi tehokkuuden maksimoimiseksi, ja niiden pehmeä startti minimoi kytkentäsysäysvirrat. Joissain malleissa on myös sertifioitu nopea roolinvaihto, joten niitä voidaan käyttää USB Type-C ‑verkkovirta-adaptereissa.

Tässä artikkelissa esitellään johdanto e-sulakkeisiin, mukaan lukien niiden jännite- ja virtaluokitukset sekä esimerkkisovellukset. Sitten artikkelissa tutustutaan erilaisten suojaustoimintojen hyödyntämiseen, kuten ylivirtasuojaus, pehmeä startti, ylijännitesuojaus, alijännitelukitus ja ylikuumenemissuojaus. Lopuksi siinä tarkastellaan Littelfusen e-sulake-mikropiirejä, jotka on optimoitu tiettyihin sovelluksiin, sekä järjestelmäintegraatioon liittyviä seikkoja, jotka voivat nopeuttaa markkinoille pääsyä.

e-sulakkeiden valintakriteerit

Sovelluksen e-sulakkeita koskevat vaatimukset liittyvät vahvasti järjestelmän käyttöjännitteeseen ja -virtaan. Matalan jännitteen ja virran järjestelmissä, joiden syöttöjännite on enintään noin 5 V_DC ja virta enintään noin 2 ampeeria, tarvitaan yleisesti ainakin seuraavat ominaisuudet: ylivirtasuojaus, ylikuumenemissuojaus, alijännitelukitus ja kytkentäsysäysvirran rajoitus (dV/dt) käytön aikana tapahtuvaa vaihtoa ja kytkentää varten. Sovelluksissa, jotka kuluttavat 2–6 A enintään 24 V_DC:n syöttöjännitteellä, tarvitaan usein ylijännitesuojaus, ylivirtasuojaus ja ”power good” ‑signaali. Järjestelmän valvonnalla, ylivirtasuojauksella ja vastavirran estolla varustetut virtamittarit ja -monitorit ovat yleisiä sovelluksissa , joiden sähkövirta on 6 A tai enemmän ja jännite 24 V_DC tai enemmän (kuva 1).

Kuva 1: e-sulakkeiden ominaisuudet riippuvat vahvasti sovelluksen syöttöjännitteestä (vaaka-akseli) ja -virrasta (pystyakseli). (Kuvan lähde: Littelfuse)

Virtasuojaus ja pehmeä startti

Elektroniikkakomponentit saattavat liian korkean sähkövirran seurauksena ylittää niiden nimelliskäyttölämpötilan, mikä heikentää niiden suorituskykyä ja lyhentää niiden käyttöikää. Virtasuojapiiri valvoo virtaa (I), ja jos nimellistä ”Iout”-käyttövirtaa korkeampi ”I-raja” ylittyy, syöttövirta reguloidaan ensin kiinteälle tasolle muutaman mikrosekunnin (µs) ajaksi ja sitten rajoitetaan automaattisesti turvalliselle tasolle. Käytettävästä e-sulakkeesta riippuen I-raja voi olla kiinteä tai säädettävä. Jos virta on liian korkea, e-sulake rajoittaa syöttövirtaa tietyksi ajaksi, joka on yleensä useita millisekunteja (ms), ja sitten lopettaa rajoittamisen sekä tarkistaa, onko vika korjaantunut.

Jos vika ei ole korjaantunut, se aloittaa taas automaattisesti virran reguloinnin ja rajoittamisen, odottaa useita millisekunteja ja lopettaa uudelleen rajoittamisen. Sekvenssiä, jossa virtaa rajoitetaan määräajaksi ja yritetään uudelleen vian korjaantumiseen asti, kutsutaan joskus ”hikkatilaksi”. Oikosulun tapahtuessa syöttövirta nousee hyvin nopeasti, jolloin e-sulake rajoittaa virran välittömästi turvalliselle tasolle (kuva 2).

Kuva 2: e-sulakkeissa on automaattisella uudelleenyrityksellä varustettu virran rajoitus, joka suojaa liian korkeilta kuormitusvirroilta ja oikosuluilta. (Kuvan lähde: Littelfuse)

Pehmeä startti rajoittaa kytkentäsysäysvirtaa laitteen käynnistyksen aikana. Ilman pehmeää starttia ainoat virtaa rajoittavat tekijät ovat piirilevyn johdinten ja komponenttien suhteellisen alhaiset impedanssit. Korkea kytkentäsysäysvirta voi vahingoittaa virransyöttöpiiriä ja komponentteja. Pehmeä startti käynnistää e-sulakkeen hitaasti, mikä mahdollistaa muuttumisnopeuden ja kytkentäsysäysvirran rajoittamisen (kuva 3). Pehmeän startin nopeus voi olla kiinteä tai säädettävä.

Kuva 3: e-sulakkeen kiinteä tai säädettävä pehmeä startti estää potentiaalisesti vahingolliset kytkentäsysäysvirrat. (Kuvan lähde: Littelfuse)

Alijännitelukitus ja ylivirtasuojaus

Myös liian korkea tai liian matala jännite voi johtaa järjestelmän toimintahäiriöihin tai vaurioihin. e-sulakkeen alijännitelukitus estää laitteen toiminnan, jos syöttöjännite on asetetun jänniterajan alapuolella. Lisäksi jos syöttöjännite nousee liian hitaasti tai jos virtalähteessä on merkittävä sisäinen resistanssi (esim. akussa), jännite voi laskea kuormitusvirran noustessa, jolloin jännite liikkuu toistuvasti alijännitelukituksen raja-arvon puolelta toiselle. Kun näin tapahtuu, alijännitelukitus voi alkaa oskilloida. Noin 150–300 millivoltin (mV) hystereesillä (viiveellä) toimiva alijännitelukituspiiri voi eliminoida oskilloinnin ja varmistaa alijännitelukituksen sulavan toiminnan.

Ylijännitesuojaus suojaa laitetta liian korkeiden jännitteiden aiheuttamilta kuormituksilta ja vahingoilta. Kun e-sulake havaitsee jännitteen olevan liian korkea, se rajoittaa jännitettä välittömästi laitteen suojaamiseksi ja katkaisee sen jälkeen virran. Se myös purkaa lähtökondensaattorit maahan sisäisen vastuksen kautta. E-sulake käynnistyy automaattisesti kun jännite laskee määritetylle tasolle (kuva 4). Ylijännitesuojan raja-arvo voi olla kiinteä tai säädettävä.

Kuva 4: Kun syöttöjännite saavuttaa ylijännitesuojauksen raja-arvon, sen nousu estetään ja e-sulake katkaisee virtalähdön järjestelmän suojaamiseksi. (Kuvan lähde: Littelfuse)

Terminen suojaus

Myös liian korkea lämpötila voi aiheuttaa vaurioita tai toimintahäiriöitä, joten e-sulakkeissa on sisäiset lämpötila-anturit. Ylikuumenemissuojaus toimii yleensä kahdessa vaiheessa. Ensin on lämpötilan säätöraja, yleensä noin 125 °C, jolloin e-sulake yrittää estää lämpötilan nousua rajoittamalla virtaa. Jos lämpötilan nousu jatkuu ja laitteen siirtymävyöhykkeen lämpötila ylittää sammutusrajan (Thermal Shutdown Threshold, TSHDN), yleensä noin 140 °C, e-sulake katkaisee virran. Ylikuumenemissuojaukseen kuuluu myös hystereesi, ja e-sulake kytkee virran uudelleen, kun sisäinen lämpötila laskee 20 °C alle TSHDN-sammutusrajan (kuva 5).

Kuva 5: Ylikuumenemissuojaukseen kuuluu hystereesi, joka saa e-sulakkeen jälleen johtamaan lämpötilan laskiessa tietyn verran. (Kuvan lähde: Littelfuse)

Kompaktit 5 voltin e-sulakkeet akkukäyttöisille laitteille

Bluetooth-kuulokkeiden, puettavien laitteiden, tablettitietokoneiden ja muiden verkkoadapteria käyttävien laitteiden suunnittelijat voivat toteuttaa ylijännite- ja ylivirtasuojauksella ja pehmeällä startilla varustettuja kompakteja ratkaisuja DFN2X2_8L-pakkausta käyttävällä 5 V:n ja 5 A:n LS0505EVD22-piirillä sekä SOT23_3L-pakkausta käyttävällä 5 V:n ja 4 A:n LS0504EVT233-piirillä (kuva 6). Sisäisen kytkimen 50 milliohmin (mΩ) johtamisresistanssi minimoi tehohäviön. Ylijännitesuojaus reagoi välittömästi jännitteen noustessa liikaa ja purkaa lähtökondensaattorin. Virtaraja asetetaan ulkoisella vastuksella, ja ylivirtasuojaus toimii hikkatilassa ylivirta- ja oikosulkutilanteissa. Automaattinen pehmeä startti nostaa jännitettä tasaisesti, mikä rajoittaa kytkentäsysäysvirran turvalliselle tasolle.

Kuva 6: LS0504EVT233-e-sulakkeen kompakti SOT23-kotelo sopii pieneenkin tilaan. (Kuvan lähde: Littelfuse)

18 voltin / 5 ampeerin e-sulakkeet

LS1205E-sarjan e-sulakkeiden käyttöjännite on 2,7–18 V_DC ja nimellisvirta 5 A. Ne sopivat käyttöön kiintolevyissä, SSD-levyissä ja verkkoadapteria käyttävissä laitteissa, kuten kannettavissa tietokoneissa ja verkkolaitteissa. Näiden e-sulakkeiden kytkimen johtamisresistanssi on 25 mΩ ja ne käyttävät 10-jalkaista DFN3×3-koteloa. Niissä on pehmeä startti säädettävällä ajalla, jopa 5 A:n säädettävä virtaraja, oikosulkusuojaus, alijännitelukitus ja monitoroiva ylikuumenemissuoja. Saatavana on kaksi mallia:

LS1205EV tarjoaa kolme valittavissa olevaa syöttöjännitealuetta. Lähdön rajoitusjännite ja alijännitelukitusraja riippuvat valitusta syöttöjännitealueesta.

LS1205EF tarjoaa avoimen nielun vikailmaisutoiminnon, joka lähettää signaalin alijännite-, ylijännite-, oikosulku- tai lämpösammutusvian tapahtuessa.

28 V:n e-sulake vastavirran estolla ja nopealla roolinvaihdolla

Kannettavien tietokoneiden, tablettien, telakoiden ja verkkolaitteiden suunnittelijat, jotka tarvitsevat virransyötön Thunderboltin tai USB Type-C:n kautta sekä vastavirran eston ja nopean roolinvaihdon, voivat hyödyntää 28 V:n ja 6 A:n e-sulake-regulaattoria LS2406ERQ23, jossa on pehmeä startti sekä suojaus ylivirtaa, ylijännitettä, oikosulkua ja ylikuumenemista vastaan (kuva 7). Normaalin käytön aikaisen tehohäviön minimoimiseksi virtakytkimen johtamisresistanssi on 24 mΩ. Ylivirtasuojaus, ylijännitesuojaus ja pehmeä startti ovat säädettäviä, ja ylikuumenemissuojaukseen kuuluu automaattinen palautuminen laitteen jäähtyessä. Vastavirran esto on tässä e-sulakkeessa jatkuvasti aktiivinen riippumatta Enable-signaalin (EN) logiikkatilasta. Nopea roolin vaihto sekä tulon ja lähdön integroidut purkutoiminnot täyttävät USB Power Delivery ‑vaatimukset.

LS2406ERQ23 käyttää 2,5 x 3,2 mm:n 16-jalkaista matalan profiilin QFN-koteloa, ja se täyttää UL-/CSA 62368-1 ‑standardit.

Kuva 7: Vastavirran estoa ja nopeaa roolinvaihtoa USB Type-C Power Delivery ‑sovelluksissa tukevan LS2406ERQ23 e-sulakkeen tyypillinen sovelluspiiri. (Kuvan lähde: Littelfuse)

Ohjeita piirilevyn layoutin suunnitteluun

LS1205E-sarjan samoin kuin LS0505EVD22- ja LS0504EVT233-piirien kanssa on huomioitava tiettyjä seikkoja piirilevyn layoutissa sovelluksen onnistumiseksi:

• IN-liittimen ja maan (GND) sekä OUT-liittimen ja maan väliin tulee asentaa keraamiset erotuskondensaattorit, joiden kapasitanssi on 0,1 mikrofaradia (µF) tai enemmän. Kun syöttötehopolun induktanssi on merkityksetön, kuten hot-plug-sovelluksissa, tämä kondensaattori ei välttämättä ole tarpeen.
• Erotuskondensaattorit tulee asettaa mahdollisimman lähelle IN-, OUT- ja GND-liittimiä, ja liitinten muodostama silmukka-alue tulee minimoida.
• Sähkövirraltaan korkeiden virtajohdinten kapasiteetti tulee mitoittaa vähintään kaksinkertaiseksi odotettuun virtaan nähden, ja niiden on oltava mahdollisimman lyhyitä.
• e-sulakkeen GND-liitin tulee kytkeä suoraan piirilevyn maatasoon. Piirilevyn maatason tulee olla saareke tai kuparitaso.

Vain LS1205E-sarja: Sijoita kaikki tukikomponentit, kuten R_ILIM, SS-kondensaattori (Capacitor Soft Start, CSS) ja EN-vastukset, mahdollisimman lähelle vastaavia nastoja ja yhdistä komponentin toinen puoli mahdollisimman lyhyellä johtimella maahan. Johtimet tulee sijoittaa niin, ettei kytkentäsignaaleihin yhdisty mitään ylimääräistä piirilevyltä. R_ILIM- ja CSS-komponenttien johdinten tulee olla mahdollisimman lyhyet, jotta loisvirtojen vaikutus virran raja-asetukseen ja pehmeän startin ajoitukseen minimoituu.

LS2406ERQ23-piirin kohdalla tarkista teknisistä tiedoista USB Type-C ‑kaapeleiden oikosulkusuojaukseen ja nopean roolinvaihdon komponentteihin liittyvät asetteluseikat.

Yhteenveto

Laitesuunnittelijat voivat hyödyntää käyttäjien ja laitteiden suojaamiseen sekä sovellettavien standardien täyttämiseen integroituja e-sulake-regulaattoreita, jotka tarjoavat sellaisia suojausominaisuuksia kuten ylijännitesuojaus, ylivirtasuojaus, alijännitelukitus, ylikuumenemissuojaus ja vastavirran esto. e-sulakkeiden säädettävät suojausrajat ja nollausominaisuudet lisäävät joustavuutta suunnitteluun. Niissä käytettävät matalan johtamisresistanssin kytkimet parantavat tehokkuutta, ja pehmeä startti minimoi kytkentäsysäysvirran. Joissain malleissa on sertifioitu nopea roolinvaihto ja vastavirran esto, joten niitä voidaan käyttää USB Type-C ‑verkkovirta-adaptereissa.

Suositeltavaa luettavaa

1. Uuden AV/ICT-standardin IEC 62368-1 mukaisten suojapiirien suunnittelu