Miten e-sulakkeita käytetään kompaktien oikosulku-, ylijännite- ja lämpösuojaratkaisujen suunnittelussa?

Elektroniikkalaitteiden yleistyminen kotona, toimistossa ja teollisuudessa tekee kompaktista, edullisesta, nopeasta, palautuvasta ja säädettävästä piirisuojauksesta yhä tärkeämpää, jotta voidaan varmistaa käyttäjän turvallisuus ja laitteiden mahdollisimman pitkä käyttöaika. Perinteinen tapa käyttää sulakkeita kärsii epätarkoista katkaisuvirroista ja hitaista vasteajoista. Myös sulakkeen vaihtaminen on hankalaa.

Vaikka sopiva suojausratkaisu on mahdollista suunnitella alusta alkaen, palautuvassa laitteessa ei ole helppoa saavuttaa vaativia viive- ja tarkkuusvaatimuksia. Lisäksi samaan ratkaisuun odotetaan nyt myös sisältyvän säädettävä ylivirtasuojaus, säädettävä käynnistysvirran muuttumisnopeus, ylijännitesuojaus, käänteisvirran esto ja lämpösuojaus. Tällainen suunnittelu edellyttää lukuisia erilliskomponentteja ja useita mikropiirejä, jotka vievät yhdessä paljon tilaa piirilevyllä, nostavat kustannuksia ja viivästyttävät markkinoilletuontiaikaa. Vaikeutta lisäävät korkean luotettavuustason tarve ja vaatimus täyttää kansainväliset turvallisuusstandardit, kuten IEC/UL62368-1 ja UL2367.

Näiden vaatimusten täyttämiseksi suunnittelijat voivat sen sijaan käyttää elektronisia sulakemikropiirejä (e-sulake), jotka tarjoavat nanosekunnin (ns) oikosulkusuojauksen, joka on noin miljoona kertaa perinteisiä sulakkeita ja PPTC-laitteita nopeampi.

Tässä artikkelissa kuvataan, miksi tarvitaan nopeampaa, robustimpaa, kompaktimpaa, luotettavampaa ja kustannustehokkaampaa piirisuojausta. Sen jälkeen siinä esitellään e-sulakkeet ja niiden toiminta. Sitten siinä esitellään useita Toshiba Electronic Devices and Storage Corporationin e-sulakevaihtoehtoja ja näytetään, miten suunnittelijat voivat käyttää niitä kustannustehokkaassa, kompaktissa ja robustissa suojauksessa.

Piirisuojauksen tarpeet

Elektroniikkajärjestelmien perustarpeita piirisuojauksessa ovat ylivirta-, oikosulku-, ylikuormitus- ja ylijännitesuojaus. Ylivirtatilanteessa johtimen läpi kulkee liian suuri virta. Järjestelmä voi kuumentua ja aiheuttaa tulipalon tai vaurioittaa laitetta. Ylivirran voi aiheuttaa oikosulku, liiallinen kuormitus, suunnitteluvirheet, komponenttiviat sekä valokaari- tai maadoitusviat. Piirien ja laitteita käyttävien henkilöiden suojaamiseksi ylivirtasuojauksen on toimittava välittömästi.

Ylikuormituksessa liian suuri virta ei aiheuta välitöntä vaaraa, mutta pitkän aikavälin seuraukset voivat olla yhtä vaarallisia kuin korkea ylivirta. Ylikuormitussuojaus toteutetaan erilaisilla aikaviiveillä ylikuormitustason mukaan. Ylikuormituksen kasvaessa viive lyhenee. Ylikuormitussuojaus voidaan toteuttaa aikaviiveellä tai hitailla sulakkeilla.

Ylijännite voi tehdä järjestelmän toiminnasta epävakaata. Se voi myös aiheuttaa liiallista kuumenemista ja kasvattaa tulipalon vaaraa. Ylijännite voi myös muodostaa välittömän vaaran järjestelmän käyttäjille tai operaattoreille. Samoin kuin ylivirran kohdalla, ylijännitesuojauksen on toimittava nopeasti ja katkaistava virtapiiri.

Joihinkin sovelluksiin tarvitaan perusominaisuuksien lisäksi myös muita suojatoimintoja niiden turvallisen ja vakaan toiminnan takaamiseksi, kuten ylijännite- ja ylivirtasuojauksen säädettävät tasot, käynnistysvirran ohjaus, lämpösuojaus ja käänteisvirran esto. Erilaiset piirisuojauslaitteet voivat täyttää erilaisia yhdistelmiä näistä suojaustarpeista.

Miten e-sulakkeet toimivat

e-sulakemikropiirit tarjoavat perinteisiin sulakkeisiin ja PPTC-laitteisiin verrattuna kattavammat suojaustoiminnot ja enemmän säätömahdollisuuksia (kuva 1). Nopean oikosulkusuojauksen lisäksi e-sulakkeet tarjoavat tarkan ylijännitesuojauksen, säädettävän ylivirtasuojauksen, säädettävän jännitteen sekä säädettävän virran muuttumisnopeuden virtapiikkien ja termisen katkaisun minimoimiseksi. Jotkin versiot tarjoavat myös sisäänrakennetun käänteisvirran eston.

Kuva 1: e-sulake korvaa perinteiset sulakkeet ja PPTC-laitteet sekä tarjoaa enemmän suojaustoimintoja ja enemmän säätömahdollisuuksia. (Kuvan lähde: Toshiba)

Yksi e-sulakkeen suorituskyvyn avaintekijöistä on sisäinen MOSFET-tehotransistori, jonka kytkentävastus on tyypillisesti milliohmiluokkaa (mΩ) ja joka kestää suuria lähtövirtoja (kuva 2). MOSFET-tehotransistorin erittäin alhaisen kytkentävastuksen ansiosta VOUT-jännite on lähes sama kuin VIN-jännite normaalin toiminnan aikana. Kun laite havaitsee oikosulun, MOSFET katkaisee piirin hyvin nopeasti, ja kun järjestelmä palaa normaalitilaan, MOSFET rajoittaa käynnistysvirtaa.

Kuva 2: Alhaisen kytkentävastuksen MOSFET-tehotransistori (keskellä ylhäällä) on avainasemassa mahdollistamassa e-sulakkeiden nopean toiminnan ja hallitut käynnistysominaisuudet. (Kuvan lähde: Toshiba)

MOSFET-tehotransistorin lisäksi e-sulakkeiden aktiivinen luonne tarjoaa lukuisia suorituskykyetuja (taulukko 1). Perinteiset sulakkeet ja PPTC:t ovat passiivisia laitteita, joiden tarkkuus on laukaisuvirran suhteen alhainen. Ne ovat riippuvaisia resistiivisestä kuumenemisesta. Tämä vie aikaa ja pidentää niiden reaktioaikoja. e-sulake sen sijaan valvoo jatkuvasti virtaa. Kun se on 1,6-kertaa korkeampi kuin asetettu virtamäärä, oikosulkusuojaus aktivoidaan. Sen jälkeen kun suojaus aktivoidaan, e-sulakkeiden erittäin nopea oikosulkusuojaustekniikka laskee virran lähes nollaan vain 150–320 nanosekunnissa verrattuna sulakkeiden ja PPTC-laitteiden 1 sekunnin tai pidempiin reaktioaikoihin. Tämä nopea reaktioaika vähentää järjestelmän rasitusta ja parantaa sen robustisuutta. Koska e-sulake ei tuhoudu oikosulussa, sitä voidaan käyttää useita kertoja.

Taulukko 1: e-sulakemikropiirit tarjoavat korkeamman suojausnopeuden, korkeamman tarkkuuden ja kattavamman valikoiman suojaustoimintoja sulakkeisiin ja PPTC-laitteisiin (monikytkin) verrattuna. (Taulukon lähde: Toshiba)

Kertakäyttöisiin perinteisiin sulakkeisiin verrattuna e-sulakkeet vähentävät huoltokustannuksia ja lyhentävät palautus- ja korjausaikaa. e-sulakkeilla on kaksi erilaista tapaa palautua vikatiloista: automaattinen palautuminen palauttaa normaalitoiminnan, kun vikatila ei enää ole voimassa, ja lukittuva suojaus, joka palauttaa normaalitoiminnan, kun vian poistamisen jälkeen annetaan ulkoinen signaali. e-sulakkeet mahdollistavat myös ylijännite- ja lämpösuojauksen, mikä ei ole mahdollista tavanomaisilla sulakkeilla eikä PPTC-laitteilla.

e-sulakkeiden valinta

Sopivan e-sulakkeen valinta alkaa yleensä sovelluksen jännitetasosta. TCKE8xx-sarjan e-sulakkeet ovat hyvä vaihtoehto 5–12 voltin jännitetasolle. Niiden tulon jänniteluokitus on jopa 18 volttia ja virtaluokitus 5 ampeeria (A), ja niillä on IEC 62368-1 -sertifiointi. Sulakkeet käyttävät WSON10B-koteloa, jonka mitat ovat 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 mm (korkeus) ja jonka jako on 0,5 mm (kuva 5).

Kuva 3: Toshiban e-sulakkeet käyttävät 3 mm x 3 mm:n kokoista ja 0,7 mm korkeaa WSON10B-pintaliitoskoteloa. (Kuvan lähde: Toshiba)

TCKE8xx-sarja tarjoaa suunnittelijoille joustavuutta, mukaan lukien säädettävän ylivirtarajan (asetetaan ulkoisella vastuksella), säädettävän muuttumisnopeusrajoituksen (asetetaan ulkoisella kondensaattorilla), yli- ja alijännitesuojauksen, termisen katkaisun sekä ohjausnastan valinnaista ulkoista käänteisvirran estävää FET-transistoria varten.

Suunnittelijat voivat myös valita kolmen eri ylijännitteen lukitustason väliltä: 6,04 volttia 5 voltin järjestelmille (esimerkiksi TCKE805NL,RF), 15,1 volttia 12 voltin järjestelmille (mukaan lukien TCKE812NL,RF) ja ilman lukitusta (esimerkiksi TCKE800NL,RF) (kuva 4). Ylijännitesuojaus on saatavana automaattisella uudelleenyrityksellä sekä mallista riippuvalla rajoituksella. Rajoitustasot asetetaan 7 prosentin tarkkuudella. Alijännitelukitusta säädetään ulkoisen vastuksen avulla. Terminen katkaisu suojaa mikropiiriä liian korkealta lämpötilalta katkaisemalla e-sulakkeen virtapiirin, kun sen lämpötila ylittää 160 celsiusastetta (°C). Automaattisesti palautuvaa lämpösuojausta käyttävät mallit käynnistyvät uudelleen, kun lämpötila laskee 20 °C.

Kuva 4: TCKE8xx-sarjan e-sulakkeita on saatavana 6,04 voltin rajoitusjännitteellä 5 voltin järjestelmille (TCKE805), 15,1 voltin rajoitusjännitteellä 12 voltin järjestelmille (TCKE812) sekä ilman rajoitusta (TCKE800). (Kuvan lähde: Toshiba)

Vakaan toiminnan takaamiseksi näissä e-sulakkeissa voidaan asettaa käynnistyksen aikana sallittu virran ja jännitteen nousunopeus (kuva 5). Kun virta kytketään päälle, lähtökondensaattoriin virtaava korkea käynnistysvirta voi katkaista e-sulakkeen ja estää laitteen käynnistyksen. e-sulakkeen dV/dT-nastaan kytkettävällä ulkoisella kondensaattorilla voidaan asettaa jännitteen ja virran nousunopeus käynnistyksen ajaksi, mikä estää aiheettoman laukeamisen.

Kuva 5: Suunnittelijat voivat asettaa jännitteen ja virran nousunopeuden käynnistyksen ajaksi ja tällä tavoin vakauttaa e-sulakkeen toiminnan. (Kuvan lähde: Toshiba)

Sovelluksen vaatimuksista riippuen suunnittelijat voivat lisätä ulkoisen N-kanavan MOSFET-tehotransistorin käänteisvirran estoa varten, transienttijännitteen vaimennusdiodin (TVS) suojaamaan tuloa transienttijännitteiltä sekä Schottky-diodin (SBD) suojaamaan negatiivisilta jännitepiikeiltä e-sulakkeen lähdössä (kuva 6). Käänteisvirran esto voi olla hyödyllinen sellaisissa sovelluksissa kuten hot-swap-levyasemissa ja akkulatureissa. Ulkoista MOSFET-transistoria ohjataan EFET-nastalla.

TVS-diodin lisääminen on tarpeen järjestelmissä, joissa virtaväylän transienttijännitteet ylittävät e-sulakkeen enimmäisarvon. Joissakin sovelluksissa e-sulakkeen lähdössä voi esiintyä negatiivisia jännitepiikkejä, ja vaihtoehtoinen SBD-diodi suojaa kuormituspuolella e-sulakkeen lisäksi mikropiiriä ja muita laitteita. Toshiba suosittelee ulkoiseksi MOSFET-transistoriksi mallia SSM6K513NU,LF, TVS-diodiksi mallia DF2S23P2CTC,L3F ja SBD-diodiksi mallia CUHS20S30,H3F.

Kuva 6: Tyypillinen sovellus TCKE8xx-sarjan e-sulakkeille, jossa näkyy valinnainen TVS tulon transienttijännitesuojausta varten, SBD suojaamaan negatiivisilta jännitepiikeiltä lähtönastassa ja ulkoinen MOSFET käänteisvirran estoon. (Kuvan lähde: Toshiba)

e-sulake sisäänrakennetulla käänteisvirtaa estävällä MOSFET-transistorilla

Sovelluksissa, joissa tarvitaan mahdollisimman pientä ratkaisua ja käänteisvirran estoa, suunnittelijat voivat käyttää TCKE712BNL,RF-e-sulaketta, joka sisältää kaksi sisäistä MOSFET-transistoria (kuva 7). Toinen sisäinen MOSFET ei heikennä suorituskykyä. Molempien MOSFET-transistorien yhteenlasketut kytkentävastukset ovat vain 53 mΩ, mikä on suunnilleen sama kuin käytettäessä ulkoista MOSFET-estotransistoria.

Kuva 7: TCKE712BNL,RF -e-sulake sisältää kaksi MOSFET-transistoria (keskellä ylhäällä), jotka mahdollistavat käänteisvirran eston ilman ulkoisen MOSFET-transistorin tarvetta. (Kuvan lähde: Toshiba)

Kiinteää jännitettä käyttäviin TCKE8xx-sarjan malleihin verrattuna TCKE712BNL,RF-mallin tulojännitealue on 4,4–13,2 volttia. Tämän tulojännitealueen tekee mahdolliseksi ylijännitesuojanasta (OVP), jolla suunnittelijat voivat asettaa ylijännitesuojaustason järjestelmän erityistarpeiden mukaan. TCKE712BNL tarjoaa lisäksi FLAG-nastassa avoimen nielun signaalilähdön, jolla ilmaistaan vikatila.

Yhteenveto

Piirien ja käyttäjien suojaaminen on elektroniikkajärjestelmissä kriittisen tärkeää etenkin laitteiden yleistyessä ja vikamahdollisuuksien kasvaessa. Samaan aikaan suunnittelijoiden on pidettävä kustannukset ja tilantarve mahdollisimman pieninä, mutta kuitenkin samalla maksimoitava suojauksen joustavuus ja täytettävä vaadittavat suojausstandardit.

e-sulakkeet tarjoavat erittäin nopean toiminnan, tarkkuuden, luotettavuuden ja uudelleenkäytettävyyden ansiosta suunnittelijoille suorituskykyisen ja joustavan vaihtoehdon perinteisiin sulakkeisiin ja PPTC-laitteisiin nähden. Ne tarjoavat myös laajan valikoiman valmiita ominaisuuksia, jotka helpottavat huomattavasti piirien ja käyttäjäsuojauksen suunnittelua.

Suositeltavaa luettavaa

1. Älykkäiden virranmittaus- ja valvontatekniikoiden valinta ja käyttö (sulakkeiden sijasta)
2. Uuden AV/ICT-standardin IEC 62368-1 mukaisten suojapiirien suunnittelu