Miksi ja miten elektronisilla sulakkeilla suojataan tehokkaasti herkkiä piirejä

Lämpösulakkeita on käytetty menestyksellä yli 150 vuoden ajan piirien perussuojaukseen. Lämpösulakkeet ovat tehokkaita, luotettavia, helppokäyttöisiä, ja niitä on saatavilla eri arvoina ja variantteina erilaisten suunnittelutavoitteiden toteuttamista varten. Niissä on kuitenkin puutteita, joita ei voi ohittaa, jos suunnittelija haluaa erittäin nopeaa virran katkaisua, automaattista palautuskykyä tai mahdollisuutta käyttää niitä suhteellisen alhaisilla virta-arvoilla. Näille suunnittelijoille erinomainen ratkaisu on elektroninen sulake, joka kirjoitetaan usein nimillä eFuse tai e-sulake. Joskus sillä korvataan lämpösulake, mutta yleensä sillä täydennetään lämpösulaketta.

eFuset perustuvat yksinkertaiseen virtamittauskonseptiin, jossa mitataan jännite tunnetun vastuksen ylitse, jonka jälkeen kanavatransistori (FET) katkaisee virran, jos jännite ylittää mitoitusarvon. eFuse tarjoaa ominaisuuksia, joustavuutta ja toimintoja, joita lämpösulake ei voi tarjota.

Tässä artikkelissa kuvataan, miten eFuset toimivat. Sen jälkeen siinä tarkastellaan näiden aktiivipiirin sulakkeiden ominaisuuksia, lisätoimintoja ja tehokasta käyttöä. Siinä esitellään esimerkkiratkaisuja yrityksiltä Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage ja STMicroelectronics sekä esimerkkiratkaisujen tehokasta käyttöä.

Miten eFuset toimivat?

Perinteisen lämpösulakkeen toimintaperiaate on yksinkertainen, tunnettu ja luotettava: kun sulakelinkin läpi kulkee sen mitoitusarvon ylittävä virta, elementti kuumenee niin, että se sulaa. Tämä katkaisee virtapolun ja virta laskee nollaan. Lämpösulake voi laueta ja avata virtapolun muutamasta sadasta millisekunnista useaan sekuntiin sulakekoosta ja -tyypistä sekä virran suuruudesta riippuen. Kuten kaikille aktiivisille ja passiivisille komponenteille, tietenkin myös tälle täysin passiiviselle laitteelle, jonka toimintaperiaate on yksinkertainen, on saatavilla paljon erilaisia variaatioita, hienouksia ja vivahteita.

Elektroniset sulakkeet toimivat sitä vastoin hyvin erilaisella periaatteella. Ne sisältävät joitakin samoja toimintoja, mutta tarjoavat myös uusia ja erilaisia toimintoja ja ominaisuuksia. Myös eFusen peruskonsepti on yksinkertainen: sähkövirta kulkee kuormaan FET-transistorin ja mittausvastuksen kautta, ja sähkövirtaa valvotaan tämän mittausvastuksen ylitse vaikuttavan jännitteen kautta. Kun se ylittää esiasetetun arvon, ohjauslogiikka kytkee FET-transistorin pois päältä ja keskeyttää virran kulun (kuva 1). FET-transistorilla, joka on kytketty sarjaan sekä syöttöjohdon että kuorman kanssa, on oltava erittäin alhainen johtamisresistenssi, jotta se ei aiheuta liiallista virta-vastus-häviötä (IR) eikä hukkatehoa.

Kuva 1: Kun sähkövirta kulkee eFusessa virtalähteestä kuormaan mittausvastuksen kautta, sitä valvotaan tämän vastuksen ylitse vaikuttavan jännitteen avulla. Kun se ylittää asetusarvon, ohjauslogiikka kytkee FET-transistorin pois päältä ja estää näin virran pääsyn kuormaan. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Saattaa vaikuttaa sitä, että eFuse on yksinkertaisesti monimutkaisempi aktiiviversio perinteisestä passiivisesta lämpösulakkeesta. Vaikka tämä on totta, eFuse tarjoaa myös joitakin ainutlaatuisia ominaisuuksia:

Nopeus: eFuset ovat nopeatoimisia laitteita, joiden katkaisun reaktioajat ovat mikrosekuntien suuruusluokkaa. Jotkin niistä tarjoavat nanosekuntien vasteen. Tämä on tärkeää nykypäivän piireissä, jotka sisältävät suhteellisen herkkiä mikropiirejä ja passiivisia komponentteja.

Toiminta pienillä virroilla: eFuse-sulakkeita voidaan käyttää pienillä sähkövirroilla (100 milliampeerin (mA) suuruusluokka tai alempi) ja ne toimivat hyvin myös alhaisilla yksinumeroisilla jännitteillä. Näillä tasoilla lämpösulakkeet eivät yleensä saa riittävästi virtaa sulakelinkin sulamiseen tarvittavaa itselämmitystä varten.

Palautettavuus: eFuse tarjoaa mallista riippuen vaihtoehdot, että se jää laukeamisen jälkeen katkaisutilaan (kutsutaan salpatilaksi) tai että sen normaali toiminta jatkuu, jos sähkövirran vikatila korjaantuu (automaattinen uudelleenyritystila). Jälkimmäinen asetus on erityisen hyödyllinen virtapiikkitilanteissa, kun ”kovaa” vikaa ei ole, kuten kytkettäessä piirilevy virtaväylään. Siitä on hyötyä myös silloin, kun sulakkeen vaihto olisi hankalaa tai kallista.

Suojaus käänteiseltä virralta: eFuse voi tarjota myös suojauksen käänteiseltä virralta, mihin lämpösulake ei pysty. Käänteisiä virtoja voi esiintyä, kun järjestelmän lähtöjännite on sen tulojännitettä korkeampi. Näin voi tapahtua esimerkiksi jos varmennusvirtalähteitä kytketään rinnakkain.

Ylijännitesuojaus: eFuse voi myös muutaman ylimääräisen piirin avulla tarjota ylijännitesuojauksen jännitepiikkejä tai induktiivisia potkuja vastaan. Se kytkee FET-transistorin pois päältä, kun tulojännite ylittää asetetun ylijännitelaukaisupisteen ja pitää sen katkaistuna niin kauan kuin ylijännitetila vallitsee.

Suojaus käänteistä polariteettia vastaan: eFuse voi myös tarjota suojauksen käänteistä polariteettia vastaan, jolloin se katkaisee nopeasti sähkövirran, jos virtalähde kytketään kiinni väärin päin. Yksi esimerkki on auton akku, joka kytkeytyy hetkeksi väärin päin tahattoman kaapelikosketuksen vuoksi.

Muuttumisnopeuden ramppi: Eräät edistyneet eFuset voivat myös tarjota määriteltävän muuttumisnopeuden rampin sammutukseen/käynnistykseen ohjaamalla FET-päästöelementin päälle/pois-siirtymää ulkoisen ohjauksen kautta tai kiinteitä komponentteja käyttämällä.

eFuset ovat näistä syistä houkutteleva ohjausratkaisu sähkövirralle. Vaikka niitä voidaan käyttää joissakin tilanteissa lämpösulakkeiden sijasta, näitä kahta käytetään usein yhdessä. Tällaisessa mallissa eFusea käytetään alipiirin tai piirilevyn paikallisena nopeasti reagoivana suojauksena, kuten hot-swap (hot plug) -järjestelmissä, autosovelluksissa, ohjelmoitavissa logiikkaohjaimissa (PLC) ja akkujen latauksen/purkauksen hallinnassa. Täydentävä lämpösulake puolestaan tarjoaa järjestelmätason suojauksen laajoja, karkeita vikoja vastaan, joihin tarvitaan kovaa ja pysyvää poiskytkentää.

Tällä tavoin suunnittelija voi hyödyntää kummankin parhaita puolia: kaikkia eFuse-ominaisuuksia sekä lämpösulakkeen selkeää ja yksiselitteistä toimintaa. Tämä on mahdollista ilman teknisiä kompromisseja tai haittoja. Joitakin kompromisseja on tietenkin tehtävä, kuten jokaisessa suunnittelupäätöksessä. Tässä tapauksessa se tarkoittaa ylimääräisen tilan tarvetta ja hieman kalliimpaa osaluetteloa (BOM).

eFusen valinta: toiminnot ja käyttökohteet

eFusen valinnassa on otettava huomioon joitakin peruskriteerejä. Ei ole yllättävää, että tärkein huomioon otettava ominaisuus on virtataso, jolla sulake toimii. Se voi tyypillisesti ulottua alle 1 ampeerista (A) noin 10 A:iin. Lisäksi on huomioitava enimmäisjännite sulakkeen liitäntöjen välillä. Joissakin eFuseissa tämä virtataso on kiinteä, kun taas joissakin käyttäjä voi säätää sitä ulkoisella vastuksella. Muita valintakriteerejä ovat reagointinopeus, lepovirta, koko (jalanjälki) ja tarvittaessa ulkoisten tukikomponenttien määrä ja tyyppi. Lisäksi suunnittelijoiden täytyy ottaa huomioon kaikki lisäominaisuudet ja -toiminnot, joita erilaiset eFuse-mallit voivat tarjota.

Esimerkiksi PLC:t ovat käyttökohde, jossa eFuset ovat hyödyllisiä erilaisissa alipiireissä, jotka voivat altistua anturitulojen ja -lähtöjen sekä virtalähteen väärinkytkennöille. Myös ylivirtoja voi esiintyä, sillä johtoja voidaan kytkeä ja piirilevyjä vaihtaa lennossa käytön aikana. Näissä 24 V:n sovelluksissa käytetään usein eFusea, esimerkkinä Texas Instrumentsin TPS26620. Kuvassa 2 se on asetettu 500 mA:n raja-arvolle. Sen toiminta-alueena on 4,5–60 V enintään 80 mA:n virralla ja sen ominaisuuksiin kuuluvat ohjelmoitava virtarajoitus, ylijännite, alijännite ja suojaus käänteistä polariteettia vastaan. Mikropiiri voi myös rajoittaa virtapiikkejä ja tarjota luotettavan suojauksen käänteiseltä virralta ja virheelliseltä johdotukselta sekä PLC I/O -moduuleille että antureiden virtalähteille.

Kuva 2: Texas Instrumentsin eFuse TPS26620 on säädetty niin, että se laukeaa tässä 24 V:n DC PLC -sovelluksessa.500 mA:n virralla (Kuvan lähde: Texas Instruments)

Kuvan 3 ajoituskaaviot Toshiban 18 voltin ja 5 ampeerin eFuselle TCKE805 osoittavat, miten yksi valmistaja on toteuttanut uudelleenyritystilan ja salpatilan. Uudelleenyritystilassa (asetetaan EN/UVLO-kotelonastalla) ylivirtasuojaustoiminto estää eFusen ja sen kuorman vaurioitumisen rajoittamalla virrankulutusta vikatilanteessa.

Kuva 3: Toshiban 8 V:n ja 5 A:n eFusessa TCKE805 käytetään testaus- ja toistojaksoa sen arviointiin, onko sähkövirran palauttaminen turvallista. (Kuvan lähde: Toshiba)

Jos ulkoisella vastuksella (R_LIM) säädettävä lähtövirta ylittää virran raja-arvon (I_LIM) kuormitusvirheen tai oikosulun vuoksi, lähtövirta ja lähtöjännite laskevat, mikä rajoittaa mikropiirin ja kuorman kuluttamaa tehoa. Kun lähtövirta saavuttaa esiasetetun raja-arvon ja ylivirtatilanne tunnistetaan, lähtövirtaa rajoitetaan niin, että sähkövirta on enää enintään I_LIM. Ellei ylivirtatilannetta ratkaista tässä vaiheessa, tämä rajoitustila pysyy voimassa ja eFusen lämpötila jatkaa nousuaan.

Kun eFusen lämpötila saavuttaa termisen katkaisutoiminnon toimintalämpötilan, eFusen MOSFET kytkeytyy pois päältä, mikä katkaisee sähkön virtauksen kokonaan. Automaattinen uudelleenyritystoiminto yrittää palauttaa sähkön virtauksen katkaisemalla virran, mikä laskee lämpötilaa ja vapauttaa termisen katkaisun. Jos lämpötila nousee jälleen, jakso toistuu ja toiminta pysähtyy, kunnes ylivirtatilanne on korjattu.

Salpatila puolestaan rajoittaa lähtöä, kunnes eFuse palautetaan mikropiirin aktivointinastan (EN/UVLO) kautta (kuva 4).

Kuva 4: Toisin kuin automaattisessa uudelleenyritystilassa, Toshiban eFusea ei palauteta salpatilassa ennen kuin se mahdollistetaan mikropiirin aktivointinastalla. (Kuvan lähde: Toshiba)

Eräiden eFuse-sulakkeiden konfiguroinnilla voidaan välttää ongelmia, joita liittyy virtamittaukseen vastuksen avulla, esimerkkinä mittaukseen liittyvä ja lähtöpuolen kiskojännitettä laskeva IR-häviö. STMicroelectronicsin 3,3 V:n STEF033AJR esimerkiksi tarjoaa maksimin nimellisvirta-arvon ja FET-johtamisresistanssiarvon 3,6 A ja 40 milliohmia (mΩ) DFN-kotelolle ja vastaavasti 2,5 A ja 25 mΩ flip-chip-kotelolle. Kuvassa 5 näytettävässä perinteisessä liitännässä jo johtamisresistanssista aiheutuva virtalähteen kiskon vaatimaton 15 millivoltin (mV) IR-häviö voi olla suuremmilla virta-arvoilla merkittävä ja huolestuttava.

Kuva 5: STEF033AJR:n perinteisessä johdotuksessa rajoitusarvon, R-lim, määrittävä vastus sijoitetaan kahden tähän tarkoitetun liittimen väliin. (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Perinteisen liitännän muokkaaminen sijoittamalla vastus positiivisen puolen rajaliitännän ja lähtöjänniteliitännän (V_OUT/Source) väliin luo Kelvin-mittausjärjestelyn, joka kompensoi IR-häviötä (kuva 6).

Kuva 6: Virtamittauksen IR-häviön pienentämiseksi rajavastuksen negatiivinen puoli liitetään jännitelähtöön (V_OUT/Source). (Kuvan lähde: STMicroelectronics)

Huomaa, että vaikka eFuset ovat puolijohteita ja niitä voidaan käyttää myös yksinumeroisilla jännitteillä, niiden toimintaa ei ole rajoitettu näin pieniin jännitteisiin. Texas Instrumentsin TPS2662x-eFuse-valikoima on esimerkiksi luokiteltu käyttöön jännitealueella 4,5–57 V.

eFuse: tehdä itse vai ostaa?

Periaatteessa elektronisen perussulakkeen rakentaminen erillisistä komponenteista on mahdollista käyttämällä paria FET-transistoria, yhtä vastusta ja yhtä induktoria. Ensimmäiset eFuset rakennettiin tällä tavalla, ja induktorilla oli kaksi tehtävää: se suodatti DC-lähdön ja toimi lisäksi mittausvastuksena käyttämällä käämien DC-vastusta.

Tasaisemman suorituskyvyn tarjoava parannettu eFuse, joka ottaa huomioon komponenttiensa ominaisuudet sekä reaalimaailman käyttöolosuhteet, vaatii kuitenkin enemmän kuin muutaman erillisen komponentin. Lisäkomponenttien avullakin se voi tarjota vain eFuse-perustoiminnot (kuva 7).

Kuva 7: Erilliskomponenteilla toteutetussa ja perustoiminnot tarjoavassa eFusessa täytyy ennakoida ja ratkaista erilliskomponenttien luontaiset rajoitteet. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

On tosiasia, että aktiivisten ja passiivisten erilliskomponenttien kokoamisesta tulee nopeasti hankalaa, se on altista kappalekohtaisille tehovaihteluille ja aiheuttaa alkutoleranssiin, komponenttien ikääntymiseen ja lämpötilasta johtuvaan ryömintään liittyviä ongelmia. Lyhyesti sanottuna itserakennetulla erillisratkaisulla on monia rajoitteita:

• Erilliskomponentteja käyttävissä piireissä käytetään päästöelementtinä yleensä P-kanavan MOSFET-transistoria, joka on kalliimpi kuin N-kanavan MOSFET-transistori samalla johtamisresistanssiarvolla (R_DS(ON)).
• Erilliset ratkaisut ovat tehottomia, sillä diodi aiheuttaa niissä on tehohäviötä ja nostaa piirilevyn lämpötilaa.
• Erilliskomponentteja käyttävissä piireissä on vaikea toteuttaa sopiva terminen suojaus FET-päästöelementille. Sen seurauksena tämä kriittinen parannus täytyy jättää pois tai rakenteesta tulee merkittävästi ylimitoitettu, jotta se voisi tarjota sopivan turvallisen toiminta-alueen (SOA).
• Kattavaan erilliskomponentteja käyttävään piiriin tarvitaan monia komponentteja ja huomattavasti piirilevytilaa, ja suojapiirin robustisuuden ja luotettavuuden tarve edellyttää lisää komponentteja.
• Vaikka lähtöjännitteen muuttumisnopeus on säädettävissä erilliskomponentteja käyttävissä piireissä vastus- ja kondensaattorikomponenttien (RC) avulla, nämä komponentit täytyy mitoittaa perehtymällä huolellisesti FET-päästötransistorin hilaominaisuuksiin.

Vaikka erilliskomponenttiratkaisu olisi hyväksyttävä, se olisi ominaisuuksiltaan rajallisempi mikropiiriratkaisuun verrattuna. Jälkimmäinen voi sisältää joitakin tai kaikki monista edellä mainituista lisätoiminnoista, kuten kuvan 8 eFuse-lohkokaaviosta näkyy. Lisäksi mikropiiriratkaisu on pienikokoisempi, se tarjoaa yhdenmukaisemman ja kattavasti kuvatun suorituskyvyn sekä antaa mielenrauhan, jota monikomponenttiratkaisu ei voi tarjota, vielä jopa alhaisempaan hintaan. Huomaa että TPS26620-piirin tekniset tiedot sisältää useita kymmeniä suorituskyky- ja ajoituskaavioita kattaen erilaisia toimintaolosuhteita. Kaikkia niistä olisi vaikea laatia erilliskomponenttiratkaisua varten.

Kuva 8: Ulkonäöltään yksinkertaiselta vaikuttavan mutta monipuolisen eFusen sisäinen kompleksisuus on piilossa, ja se olisi hyvin vaikea kopioida käyttämällä erilliskomponentteja. (Kuvan lähde: Texas Instruments)

On olemassa myös toinen tärkeä syy, miksi kannattaa ostaa tavallinen eFuse-mikropiiri eikä valita tee-se-itse-lähestymistapaa: regulatorinen hyväksyntä. Useita sulakkeita – sekä lämpösulakkeita että eFuse-sulakkeita – käytetään turvallisuuteen liittyvissä toiminnoissa ja niillä estetään sellaiset olosuhteet, joissa liian suuri virta voi aiheuttaa komponenttien ylikuumenemista ja mahdollisesti tulipalon tai henkilövammoja.

Kaikki perinteiset lämpösulakkeet ovat eri sääntelyvirastojen hyväksymiä ja standardien mukaisesti hyväksyttyjä, jotta vikaturvallinen virrankatkaisu on taattua kun sulakkeita käytetään asianmukaisesti. Samojen hyväksyntöjen hankkiminen erillisratkaisulle olisi erittäin vaikeaa ja aikaa vievää ja todennäköisesti jopa mahdotonta.

Monilla eFuse-mikropiireillä sen sijaan on jo hyväksyntä. Esimerkiksi TPS2662x-sarjan eFuset ovat UL 2367 -hyväksyttyjä (”Erikoiskäyttöön tarkoitettu puolijohdeylivirtasuoja”) ja IEC 62368-1 -sertifioituja (Audio- ja videolaitteet sekä tieto- ja tietoliikennetekniikan laitteet. Osa 1: Turvallisuusvaatimukset). Ne täyttävät myös standardin IEC 61000-4-5 (”Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC). Osa 4-5: Testaus- ja mittaustekniikat. Jännitepiikin kestotesti”) vaatimukset. Jotta nämä eFuset voivat saada tällaisen sertifioinnin, niiden suorituskyky testataan peruskäyttötarkoituksessa. Lisäksi ne testataan olosuhteissa, jotka kattavat minimi- ja maksimikäyttölämpötilat, minimi- ja maksimivarastointi- ja kuljetuslämpötilat, laajat poikkeavuus- ja kestävyystestit sekä termisen rasituksen.

Yhteenveto

eFuse-sulakkeissa sähkövirran katkaisuun käytetään aktiivipiiriä sulakelinkin sijasta, ja ne auttavat suunnittelijoita täyttämään vaatimukset, kuten nopean katkaisun, automaattisen palautuksen ja luotettavan toiminnan alhaisella virralla. Ne sisältävät myös erilaisia suojausominaisuuksia sekä säädettävät muuttumisnopeudet. Ne ovat näistä syistä arvokas täydennys suunnittelijoille piirien ja järjestelmien suojauskomponenttivalikoimaan.

Niin kuin edellä on mainittu, eFuse voi korvata perinteisen lämpösulakkeen. Monissa tapauksissa niitä käytetään kuitenkin paikalliseen suojaukseen, ja lämpösulaketta käytetään niiden täydennykseksi. Kuten kunnianarvoiset lämpösulakkeet, myös monet eFuset on sertifioitu käytettäviksi turvallisuuteen liittyvissä tehtävissä, mikä laajentaa niiden monipuolisuutta ja käytettävyyttä.

Lisätietoja

1. ”IEC 62368-1 on tulossa: Uusi turvallisuusstandardi ICT- ja AV-laitteille”
2. ”Oikean virtalähteen valinta on tärkeää uuden kuluttajatuotteita koskevan IEC/UL IEC-62368 -turvallisuusmandaatin täyttämiseksi”
3. ”Sulakeopas”
4. ”Älykkäiden virtamittaus- ja valvontatekniikoiden valinta ja käyttö (sulakkeiden sijasta)”