Cum se utilizează siguranțele electronice pentru a proiecta soluții compacte de protecție la scurtcircuit, supratensiune și protecție termică

Acum, că dispozitivele electronice sunt omniprezente în casă, la birou și în industrie, nevoia de protecție a circuitelor, într-un mod compact, cu costuri reduse, la viteză ridicată, resetabil și reglabil, este din ce în ce mai importantă, pentru a garanta siguranța utilizatorului și timpul maxim de funcționare a dispozitivului. Abordările convenționale în ceea ce privește utilizarea siguranțelor suferă de pe urma curenților de întrerupere impreciși și a timpilor de răspuns lenți și, de obicei, sunt îngreunate de necesitatea de înlocuire a siguranței.

Deși este posibilă proiectarea unei soluții de protecție adecvate de la zero, îndeplinirea cerințelor exigente în ceea ce privește latența și precizia într-un dispozitiv resetabil nu este ușor de realizat. În plus, acum se așteaptă ca aceeași soluție să fie prevăzută cu o protecție reglabilă la supracurent, o viteză de salt ajustabilă pentru curentul de anclanșare, limitarea supratensiunii, blocarea curentului invers și protecție termică. Un astfel de proiect necesită numeroase componente discrete și mai multe circuite integrate care, împreună, ocupă o suprafață semnificativă pe placa de circuite imprimate, cresc costurile și întârzie lansarea pe piață. Dificultatea crește și din cauza necesității unor niveluri ridicate de fiabilitate și a cerinței de a respecta standardele internaționale de siguranță, cum ar fi IEC/UL62368-1 și UL2367.

Pentru a răspunde acestor cerințe, proiectanții pot recurge la circuite integrate cu siguranțe electronice pentru a asigura o protecție la scurtcircuit de nivelul nanosecundelor (ns), care este de aproximativ un milion de ori mai rapidă decât siguranțele convenționale sau dispozitivele PPTC.

Acest articol descrie de ce este necesară o protecție a circuitelor care este mai rapidă, mai robustă, mai compactă, mai fiabilă și mai rentabilă, înainte de a prezenta siguranțele electronice și modul în care funcționează acestea. Apoi, prezintă mai multe opțiuni de siguranțe electronice de la Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation și arată cum acestea îndeplinesc cerințele proiectanților pentru o protecție rentabilă, compactă și robustă.

Necesități de protecție a circuitului

Condițiile de supracurent, scurtcircuitele, suprasarcinile și supratensiunile sunt unele dintre aspectele de bază ale sistemelor electronice care necesită protecția circuitelor. În timpul unei condiții de supracurent, există un curent excesiv care circulă printr-un conductor. Acest lucru poate duce la niveluri ridicate de căldură generată și la riscul de incendiu sau de deteriorare a echipamentului. Condițiile de supracurent pot fi cauzate de scurtcircuite, sarcini excesive, defecte de proiectare, defecțiuni ale componentelor și defecte de arc electric sau de împământare. Pentru a proteja circuitele și utilizatorii dispozitivelor, protecția la supracurent trebuie să funcționeze instantaneu.

Condițiile de suprasarcină există atunci când curentul excesiv nu prezintă pericol imediat, dar consecințele pe termen lung pot fi la fel de periculoase ca o stare de supracurent ridicat. Protecția la suprasarcină este implementată cu diferite întârzieri de timp, în funcție de nivelul de suprasarcină. Pe măsură ce starea de suprasarcină crește, întârzierea scade. Protecția la suprasarcină poate fi implementată cu siguranțe cu temporizare sau siguranțe cu ardere lentă.

Condițiile de supratensiune pot duce la funcționarea instabilă a sistemului și, de asemenea, la generarea de căldură excesivă și creșterea potențialului de incendiu. De asemenea, supratensiunile pot prezenta un pericol imediat pentru utilizatorii sau operatorii sistemului. Ca și în cazul supracurentului, protecția la supratensiune trebuie să funcționeze rapid pentru a opri sursa.

Unele aplicații beneficiază de funcții de protecție suplimentare, pe lângă cele de bază, pentru a asigura o funcționare sigură și stabilă, inclusiv niveluri reglabile de protecție la supratensiune și supracurent, controlul curentului de anclanșare, protecție termică și blocarea curentului invers. Diferite dispozitive de protecție a circuitelor pot satisface diferite combinații ale acestor nevoi de protecție a circuitelor.

Cum funcționează siguranțele electronice

Circuitele integrate ale siguranțelor electronice oferă funcții de protecție mai complexe și niveluri mai ridicate de control în comparație cu siguranțele convenționale și dispozitivele PPTC (Figura 1). Pe lângă protecția de mare viteză la scurtcircuit, siguranțele electronice oferă o limitare precisă a supratensiunii, protecție reglabilă la supracurent, tensiune reglabilă și control al vitezei de salt a curentului, pentru a minimiza curenții de anclanșare și oprirea termică. Diferitele versiuni includ și blocarea încorporată a curentului invers.

Figura 1: o siguranță electronică poate înlocui siguranțele convenționale sau dispozitivele PPTC și poate oferi funcții de protecție suplimentare și niveluri mai ridicate de control. (Sursa imaginii: Toshiba)

Una dintre cheile performanței siguranțelor electronice este MOSFET-ul de putere intern cu o rezistență „la pornire” care este, de obicei, în intervalul miliohmilor (mΩ) și care poate suporta curenți de ieșire mari (Figura 2). În timpul funcționării normale, rezistența foarte scăzută la pornire a MOSFET-ului de putere garantează că tensiunea la VOUT este aproape identică cu tensiunea la VIN. Atunci când este detectat un scurtcircuit, MOSFET-ul se oprește foarte repede, iar când sistemul revine la normal, MOSFET-ul este utilizat pentru a controla curentul de anclanșare.

Figura 2: un MOSFET de putere cu rezistență redusă la pornire (în partea de sus, în centru) este esențial pentru a asigura acțiunea rapidă și capacitățile de pornire controlată ale siguranțelor electronice. (Sursa imaginii: Toshiba)

Pe lângă MOSFET-ul de putere, natura activă a siguranțelor electronice contribuie la numeroasele avantaje de performanță ale acestora (Tabelul 1). Siguranțele convenționale și PPTC-urile sunt dispozitive pasive cu o precizie scăzută în ceea ce privește curentul de declanșare. Acestea se bazează pe încălzirea Joule, care are nevoie de timp pentru a se dezvolta, ceea ce le mărește timpul de reacție. Pe de altă parte, o siguranță electronică monitorizează în mod constant curentul și, odată ce acesta atinge de 1,6 ori nivelul limită de curent reglabil, este inițiată protecția împotriva scurtcircuitului. Odată inițiată, tehnica de protecție împotriva scurtcircuitelor de foarte mare viteză din siguranța electronică reduce curentul până aproape de zero în numai 150 până la 320 ns, în comparație cu timpul de reacție de 1 secundă sau mai mult al siguranțelor și PPTC-urilor. Acest timp de reacție rapidă reduce solicitările din sistem, sporind robustețea. Deoarece o siguranță electronică nu este distrusă de un scurtcircuit, aceasta poate fi utilizată de mai multe ori.

Tabelul 1: circuitele integrate ale siguranțelor electronice oferă o viteză de protecție mai rapidă, niveluri mai ridicate de precizie și o suită mai bogată de funcții de protecție în comparație cu siguranțele și dispozitivele PPTC (siguranță resetabilă). (Sursa tabelului: Toshiba)

În comparație cu siguranțele convenționale, care sunt dispozitive de unică folosință, siguranțele electronice contribuie la reducerea costurilor de întreținere și la reducerea timpului de recuperare și reparare. Siguranțele electronice vin cu două tipuri de recuperare din condițiile de defecțiune: recuperarea automată va readuce sistemul la funcționarea normală odată ce condiția de defecțiune este eliminată și; protecția cu blocare care readuce sistemul la funcționarea normală atunci când se aplică un semnal extern după ce defecțiunea este eliminată. De asemenea, siguranțele electronice oferă și protecție la supratensiune și protecție termică, dar acestea nu sunt posibile cu ajutorul siguranțelor convenționale sau al PPTC-urilor.

Alegerea siguranțelor electronice

De obicei, selectarea siguranței electronice adecvate începe cu șinele de alimentare ale aplicației. Pentru șinele de alimentare de la 5 la 12 volți, siguranțele electronice din seria TCKE8xx sunt o opțiune bună. Acestea sunt evaluate pentru o intrare de până la 18 volți și 5 amperi (A), sunt certificate IEC 62368-1 și sunt livrate într-o capsulă WSON10B care măsoară 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 mm pe înălțime, cu un pas de 0,5 mm (Figura 3).

Figura 3: siguranțele electronice Toshiba sunt ambalate într-o capsulă WSON10B de 3 mm x 3 mm, cu o înălțime de 0,7 mm, cu montare pe suprafață. (Sursa imaginii: Toshiba)

Seria TCKE8xx oferă flexibilitate proiectanților, inclusiv o limită de supracurent reglabilă, setată de un rezistor extern, un control reglabil al vitezei de salt, setat de un condensator extern, protecție la supratensiune și subtensiune, oprire termică și un pin de control pentru un FET extern opțional de blocare a curentului invers.

De asemenea, proiectanții au posibilitatea de a alege între trei niveluri diferite de limitare a supratensiunii; 6,04 volți pentru sistemele de 5 volți (de exemplu, TCKE805NL,RF), 15,1 volți pentru sistemele de 12 volți (inclusiv TCKE812NL,RF) și fără limitare (cum ar fi TCKE800NL,RF) (Figura 4). Protecția la supratensiune este disponibilă sub formă de revenire automată și de limitare, în funcție de model, iar nivelurile de limitare sunt setate cu o precizie de 7%. Blocarea la subtensiune este programabilă cu ajutorul unui rezistor extern. Oprirea termică protejează circuitul integrat de o stare de supratemperatură prin oprirea siguranței electronice atunci când temperatura sa depășește 160 de grade Celsius (°C). Modelele cu protecție termică cu recuperare automată repornesc atunci când temperatura scade cu 20 °C.

Figura 4: siguranțele electronice din seria TCKE8xx sunt disponibile cu tensiuni de limitare de 6,04 volți pentru sisteme de 5 volți (TCKE805), 15,1 volți pentru sisteme de 12 volți (TCKE812) și fără limitare (TCKE800). (Sursa imaginii: Toshiba)

Pentru a asigura o funcționare stabilă, aceste siguranțe electronice includ opțiunea de setare de către proiectanți a vitezei de creștere a curentului și a tensiunii la pornire (Figura 5). Când se pornește alimentarea, un curent de anclanșare mare poate intra în condensatorul de ieșire și poate declanșa siguranța electronică, ceea ce duce la o funcționare instabilă. Un condensator extern de pe pinul dV/dT al siguranței electronice stabilește viteza de creștere pentru tensiune și curent, prevenind declanșările dăunătoare.

Figura 5: proiectanții pot seta viteza de creștere a tensiunii și curentului la pornire pentru a asigura funcționarea stabilă a siguranțelor electronice. (Sursa imaginii: Toshiba)

În funcție de cerințele aplicației, proiectanții pot adăuga un MOSFET de putere extern cu canal N pentru blocarea curentului invers, o diodă de suprimare a tensiunii tranzitorii (TVS) pentru protecția împotriva tensiunilor tranzitorii de intrare și o diodă de barieră Schottky (SBD) pentru protecția împotriva vârfurilor de tensiune negativă la ieșirea siguranței electronice (Figura 6). Blocarea curentului invers poate fi utilă în aplicații precum unitățile de discuri cu schimbare la cald și încărcătoarele de baterii. MOSFET-ul extern este controlat de pinul EFET.

Adăugarea unei diode TVS este necesară în sistemele care se confruntă cu tensiuni tranzitorii pe magistrala de alimentare, care depășesc valoarea nominală maximă a siguranței electronice. În unele aplicații, un vârf de tensiune negativă poate apărea la ieșirea siguranței electronice, iar SBD-ul opțional protejează circuitele integrate și alte dispozitive de pe partea de sarcină, precum și siguranța electronică. Toshiba recomandă SSM6K513NU,LF ca MOSFET extern, DF2S23P2CTC,L3F ca diodă TVS și CUHS20S30,H3F ca SBD.

Figura 6: aplicație tipică pentru siguranțele electronice din seria TCKE8xx care prezintă TVS opțional pentru protecția împotriva tensiunilor tranzitorii de intrare, SBD pentru protecția împotriva vârfurilor de tensiune negativă pe pinul de ieșire și un MOSFET extern pentru blocarea curentului invers. (Sursa imaginii: Toshiba)

Siguranță electronică cu MOSFET încorporat de blocare a curentului invers

Pentru aplicațiile care au nevoie de cea mai mică soluție posibilă și de blocarea curentului invers, proiectanții pot utiliza siguranța electronică TCKE712BNL,RF care include două MOSFET-uri interne (Figura 7). Nu există nicio penalizare a performanței asociată cu cel de-al doilea MOSFET intern; rezistențele la pornire combinate ale ambelor MOSFET-uri sunt de numai 53 mΩ, aproximativ la fel ca atunci când se utilizează un MOSFET de blocare extern.

Figura 7: siguranța electronică TCKE712BNL,RF include două MOSFET-uri (centru sus) pentru a permite blocarea curentului invers fără a fi nevoie de un MOSFET extern. (Sursa imaginii: Toshiba)

Comparativ cu modelele cu tensiune fixă din seria TCKE8xx, TCKE712BNL,RF are o gamă de tensiuni de intrare de la 4,4 la 13,2 volți. Pentru a accepta această gamă de tensiuni de intrare posibile, acesta are un pin de protecție la supratensiune (OVP) care permite proiectanților să seteze nivelul de protecție la supratensiune pentru a se adapta la nevoile specifice ale sistemului. În plus, TCKE712BNL are un pin FLAG adăugat, care oferă o ieșire a semnalului cu drenă deschisă, ce indică prezența unei condiții de eroare.

Concluzie

Asigurarea protecției circuitelor și a utilizatorilor în sistemele electronice este esențială, în special pe măsură ce dispozitivele se înmulțesc și potențialul de defecțiune crește. În același timp, proiectanții trebuie să mențină costurile și amprenta la un nivel minim, obținând în același timp o flexibilitate maximă de protecție și respectând standardele de protecție corespunzătoare.

Cu o funcționare ultra-rapidă, precizie, fiabilitate și reutilizabilitate, siguranțele electronice nu numai că oferă proiectanților o alternativă de înaltă performanță și flexibilă la siguranțele convenționale și dispozitivele PPTC, dar vin și cu o gamă largă de caracteristici încorporate care simplifică foarte mult sarcina de proiectare a protecției circuitelor și a utilizatorilor.

Lectură recomandată

1. Cum să selectați și să aplicați tehnologii inteligente de detectare și monitorizare a curentului (în locul siguranțelor)
2. Cum să proiectați circuite de protecție conforme pentru noul standard AV/ICT IEC 62368-1