E-sikringer kan forbedre design

Pålitelighet er avgjørende i alle moderne bil- og industriapplikasjoner. Alt fra sonekontrollenheter for biler eller numerisk datamaskinstyring i industrielle applikasjoner: Uansett hvor enkelt eller komplekst sluttproduktet er, hvis det ikke kan stoles på, vil produsentens omdømme nesten helt sikkert bli skadet. I tillegg kommer kostnadene ved garantireparasjoner og til og med mulige tilbakekallinger.

Imidlertid vil elektroniske kretser svikte til slutt, muligvis på grunn av ytre påvirkninger eller fordi komponenter brytes ned over tid. I disse situasjonene anbefaler god designpraksis inkludering av kretsbeskyttelsesenheter som vil sikre at effekten av feil minimeres.

Denne artikkelen illustrerer begrensningene til standard kretsbeskyttelsesenheter og hvordan e-sikringer (e-Fuse) kan brukes til å forbedre design.

Sikringen

Den trolig vanligste (og laveste) formen for kretsbeskyttelse er den unnselige sikringen. Disse er basert på metalltråd eller en tynn metallstrimmel som har et smeltepunkt ved lav temperatur. Sikringer settes normalt inn i strømtilførselen, og når det går for mye strøm, vil varmen som genereres i sikringen føre til at ledningen/stripen smelter. Følgelig kobles kretsen fra strømkilden.

Denne frakoblingen er vanligvis ikke øyeblikkelig, og tiden det tar for at en sikring "går" er i omvendt proporsjon med feilstrømmen. Hvis strømmen bare er litt over sikringsverdien, kan den flyte en stund, og påvirke strømskinnen og forårsake feil eller skade på kretsen.

Sikringer er ikke praktiske; Når de har gått, må de skiftes ut (normalt av brukeren). Hvis feil størrelse brukes (utilsiktet eller med vilje), vil dette representere en brannfare.

Alternative komponenter

Andre komponenter, som positiv temperaturkoeffisient- (PTC) termistorer, kan brukes. Disse kretskort-monterte komponentene øker motstanden når temperaturen øker, og begrenser dermed strømmen. Forutsatt at overstrømmen ikke er for høy (ellers ville PTC-termistoren gå i åpen krets) etter hvert som strømmen avtar, faller temperaturen og normal drift opprettholdes.

Selv om dette løser behovet for å erstatte en sikring, er PTC-termistorer ikke-lineære og ikke godt egnet til bruk over et bredt temperaturområde, på grunn av komponentenes funksjonsmåte.

E-sikringer

Elektroniske sikringer (eller "eFuse" - et begrep skapt av onsemi da de lanserte de første komponentene på markedet) er et moderne alternativ som tilbyr grunnleggende kretsbeskyttelse – og mye mer funksjonalitet. Vanligvis inkluderer de beskyttelse mot overstrøm, inkludert kortslutning, overspenning, omvendt strøm og overdreven termisk stigning.

Selv om det er mange applikasjoner for disse innovative enhetene, brukes de ofte i hot-plugg-situasjoner, eller hvor som helst der strømfeil er vanlige. De brukes også der det er en betydelig mulighet for en lastfeil eller i systemer der det er behov for en begrensning av innkoplings-/utgangsstrøm.

Aktiveringspinne (enable) i kombinasjon med strømstyringsmekanismer med høy presisjon gjør denne enheten til en kombinasjon av belastningsbryter og sikring, som en grunnleggende byggestein for belastningskontrollsystemer i moderne distribuerte kraftarkitekturer.

Fordeler

De viktigste fordelene med eFuses er deres fleksibilitet og evne til å tilbakestille seg selv, noe som eliminerer behovet for brukerintervensjon. Som intelligente komponenter muliggjør tilleggsfunksjonene deres ytterligere funksjonalitet i systemer, utover bare overspennings-/overstrømsbeskyttelse (som de utmerker seg med).

For eksempel inkluderer mange eFuses en power good (“PGOOD”) pinn som kan brukes med en systemkontroller for å sekvensere strømskinner nøyaktig. Noen eFuses inkluderer tristate-pinner som kan brukes til å sikre samtidig på/av svitsjing av flere strømskinner.

Evnen til å oppdage reversstrøm (noe en tradisjonell sikring ikke kan) gjør dem nyttige i redundante strømapplikasjoner der ORing er nødvendig. Dette er også verdifullt der det kreves en stor kondensator for å beholde ladningen etter at et system er slått av, ofte for å begrense innkoblingsstrømmen ved oppstart. 

I mange applikasjoner kan kondensatorer (eller kapasitive belastninger) være en utfordring, og forårsake store innkoblingsstrømmer som kan skade komponenter eller mønsterkortbaner. eFuses kan tilby flere funksjoner for å hjelpe designere med å håndtere dette, for eksempel automatisk forsøk på nytt, eller begrensning av innkoblingsstrøm for å la kondensatoren lade på en styrt måte.

Som intelligente enheter kan eFuses overvåke temperatur, spenning og strøm, og sende disse dataene til en systemkontroller. Dette er spesielt nyttig for å oppdage endringer som kan være et tidlig varsel om forestående feil.

eFuses i bilapplikasjoner

Etter hvert som mer teknologi er inkludert i alle kjøretøy, øker behovet for tilstrekkelig kretsbeskyttelse for å sikre pålitelig drift og for å forhindre skade. Dette er spesielt nødvendig i kjøretøyer, siden batterienes strømkapasitet er tilstrekkelig til å ødelegge ømfintlige elektroniske komponenter.

eFuses brukes ofte i kraftledningen til undersystemer (som heads up-skjermer eller infotainment) for å koble fra og slå av disse systemene i tilfelle feil.

I systemer som er delvis utenfor kjøretøyet, kan skade på de eksterne elementene forårsake en kortslutning som vil skade interne kretser. Et slikt system er telematikken der den eksterne LNA- og GPS-antennen er koblet til via eFuses, og beskytter kretsene i kjøretøyet.

Der kjøretøysystemer er delt inn i soner, kan eFuses være kaskadekoplet i systemet, og tilby total beskyttelse i tillegg til å beskytte undersystemer.

For eksempel i en ADAS-domenekontroller kan en hovedsikring kobles mellom strømkilden og hovedsystemet, mens sekundære sikringer kan brukes for å beskytte systemets periferiutstyr, for eksempel de eksternt monterte ultralydbaserte parkeringsassistentsensorene.

Ledningsnettet i moderne kjøretøy er et komplekst delsystem. Det er dyrt og vanskelig å erstatte når kjøretøyet er montert, så beskyttelse er avgjørende. Mange strømkrevende enheter (vifter, vindusmotorer, klimaanlegg, andre aktuatorer) er koblet til kabelmatten. En sikring brukes vanligvis i forkant av disse systemene for å beskytte kabelmatten i tilfelle feil som fører til for stort strømtrekk.

Eksempler på den nyeste teknologien i eFuses

NIV(S)3071 fra onsemi er en 60 VDC, 65 VTR, eFuse som integrerer fire uavhengige kanaler i en enkelt 5,0 mm x 6,0 mm pakke, der hver kanal støtter strømmer opp til 2,5 A kontinuerlig (10 A totalt). RDSon -verdien for hver kanal er bare 80 mΩ, noe som sikrer minimalt tap i eFuse.

Det er en konfigurerbar strømgrense som er felles for alle kanaler. Andre funksjoner inkluderer en utgangsspenningsklemme, digitalt flagg for å indikere en feil, konfigurerbar strømutkoblingstid og en fast 1 ms mykstart.

Med evnen til å operere ved overgangstemperaturer (TJ) fra -40 ºC til +150 ºC og 2 kV ESD-beskyttelse, er NIV3071 ideelt egnet for krevende bilapplikasjoner, både 12 V og 48 V.

NIV(S)4461 er en enkelt eFuse som gir beskyttelse mot overstrøm, underspenning og innkoblingsstrøm i applikasjoner som industriell automasjon, telekom, databehandling og mer. Enheten kan støtte kontinuerlige strømmer opp til 4,2 A, ved spenninger så høye som 360 V.

Viktige funksjoner ved komponenten er dens lave motstand (typisk RDSon = 39 mΩ) og rask triptid. Enheten inkluderer også en programmerbar strømgrense (21-157 A), underspenning og justerbar svinghastighetskontroll. Brukerkonfigurerbare funksjoner inkluderer låsing og automatisk forsøk på nytt.

NIV(S)4461 er plassert i en DFNN1024-pakke som kun måler 3,0 mm x 3,0 mm. Den har et industristandard pinneutlegg og er kompatibel med UL2367 og IEC62368.

Oppsummering

Kretsbeskyttelse er et viktig element i moderne design, som sikrer pålitelighet i kretser og systemer og minimerer skader når feil eller uventede forhold oppstår.

Mens tradisjonelle sikringer har gitt en viss beskyttelse, tilbyr moderne eFuses større nøyaktighet, mer fleksibilitet og et bredere funksjonssett som forbedrer beskyttelsen som oppnås betydelig.