Elektronische Sicherungen Kompakter Kurzschluss-, Überspannungs- und Wärmeschutz

Von Rolf Horn *

Schaltungsschutz wird immer wichtiger. Herkömmliche Sicherungen sind aber oft zu ungenau und langsam. Hier bieten sich eFuses an, die einen Kurzschlussschutz im Nanosekundenbereich ermöglichen.

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eFuses von Toshiba: untergebracht in einem 3 mm x 3 mm großen und 0,7 mm hohen WSON10B-Gehäuse zur Oberflächenmontage.
eFuses von Toshiba: untergebracht in einem 3 mm x 3 mm großen und 0,7 mm hohen WSON10B-Gehäuse zur Oberflächenmontage.
(Bild: Toshiba)

Angesichts der weiten Verbreitung elektronischer Geräte im Haushalt, im Büro und in der Industrie wird ein kompakter, kostengünstiger, schneller, rücksetzbarer und justierbarer Schaltungsschutz immer wichtiger, um die Sicherheit der Benutzer und die maximale Betriebszeit der Geräte zu gewährleisten. Herkömmliche Sicherungskonzepte leiden unter ungenauen Ausschaltströmen und langsamen Reaktionszeiten und sind in der Regel mit der Unannehmlichkeit verbunden, die Sicherung ersetzen zu müssen.

Hohe Anforderungen an Latenzzeit und Präzision

Es ist zwar möglich, eine geeignete Schutzlösung von Grund auf zu entwickeln, aber es ist nicht einfach, die hohen Anforderungen an Latenzzeit und Präzision in einer rücksetzbaren Komponente zu erfüllen. Darüber hinaus soll dieselbe Lösung nun auch einen einstellbaren Überstromschutz, eine einstellbare Anstiegsgeschwindigkeit des Einschaltstroms, eine Überspannungsbegrenzung, eine Rückstromsperre und einen thermischen Schutz bieten.

Ein solches Design erfordert zahlreiche diskrete Komponenten und mehrere ICs, die zusammen eine beträchtliche Fläche auf der Leiterplatte einnehmen, die Kosten erhöhen und die Markteinführung verzögern. Erschwerend kommt hinzu, dass ein hohes Maß an Zuverlässigkeit erforderlich ist und internationale Sicherheitsnormen wie IEC/UL62368-1 und UL2367 erfüllt werden müssen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, können Entwickler stattdessen elektronische Sicherungs-ICs (eFuses) einsetzen, die einen Kurzschlussschutz im Nanosekundenbereich bieten, was etwa eine Million Mal schneller ist als herkömmliche Sicherungen oder PPTC-Bauteile.

In diesem Beitrag wird beschrieben, warum ein schnellerer, robusterer, kompakterer, zuverlässigerer und kostengünstigerer Stromkreisschutz erforderlich ist, bevor eFuses und ihre Funktionsweise vorgestellt werden. Anschließend werden verschiedene eFuse-Optionen von Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation vorgestellt und gezeigt, wie sie die Anforderungen von Entwicklern an einen kostengünstigen, kompakten und robusten Schutz erfüllen.

Anforderungen an einen Schaltungsschutz

Überstrombedingungen, Kurzschlüsse, Überlastungen und Überspannungen sind einige der grundlegenden Anforderungen an den Schutz elektronischer Systeme. Bei einem Überstromzustand fließt ein übermäßiger Strom durch einen Leiter. Dies kann zu einer starken Hitzeentwicklung und der Gefahr eines Brandes oder einer Beschädigung der Geräte führen. Überstromzustände können durch Kurzschlüsse, übermäßige Lasten, Konstruktionsfehler, Bauteilversagen sowie Lichtbogen- oder Erdungsfehler verursacht werden. Um Stromkreise und Gerätebenutzer zu schützen, muss der Überstromschutz sofort greifen.

Überlastungszustände mit langfristigen Folgen

Überlastungszustände liegen vor, wenn der übermäßige Strom nicht unmittelbar gefährlich ist, aber die langfristigen Folgen können genauso unsicher sein wie ein hoher Überstromzustand. Der Überlastschutz ist mit verschiedenen Zeitverzögerungen implementiert, die von der Höhe der Überlast abhängen. Mit zunehmender Überlast nimmt die Verzögerung ab. Der Überlastschutz kann mit zeitverzögerten oder trägen Sicherungen realisiert werden.

Überspannungszustände können zu einem instabilen Systembetrieb und zu übermäßiger Hitzeentwicklung und erhöhter Brandgefahr führen. Überspannungen können auch eine unmittelbare Gefahr für die Benutzer oder Betreiber des Systems darstellen. Wie beim Überstrom muss auch der Überspannungsschutz schnell ansprechen, um die Quelle abzuschalten.

Einige Anwendungen profitieren von zusätzlichen Schutzfunktionen, die über die grundlegenden Funktionen hinausgehen, um einen sicheren und stabilen Betrieb zu gewährleisten. Dazu gehören einstellbare Stufen des Überspannungs- und Überstromschutzes, Einschaltstromkontrolle, thermischer Schutz und Rückstromsperre. Verschiedene Stromkreisschutzeinrichtungen können unterschiedliche Kombinationen dieser Schutzanforderungen erfüllen.

Wie elektronische Sicherungen funktionieren

eFuse-ICs bieten im Vergleich zu herkömmlichen Sicherungen und PPTC-Bauteilen umfangreichere Schutzfunktionen und ein höheres Maß an Kontrolle (Bild 1). Zusätzlich zum schnellen Kurzschlussschutz bieten eFuses eine präzise Überspannungsbegrenzung, einen einstellbaren Überstromschutz, eine einstellbare Spannung und eine Steuerung der Stromanstiegsgeschwindigkeit zur Minimierung von Einschaltströmen und thermischer Abschaltung. In einigen Versionen ist auch eine Rückstromsperre eingebaut.

Einer der Schlüssel zur Performance von eFuses ist der interne Leistungs-MOSFET mit einem Durchlasswiderstand, der typischerweise im mΩ-Bereich liegt und hohe Ausgangsströme handhaben kann (Bild 2). Im Normalbetrieb sorgt der sehr niedrige Durchlasswiderstand des Leistungs-MOSFETs dafür, dass die Spannung an VOUT nahezu identisch mit der Spannung an VIN ist. Wenn ein Kurzschluss erkannt wird, schaltet der MOSFET sehr schnell ab, und wenn das System wieder in den Normalzustand zurückkehrt, wird der MOSFET zur Steuerung des Einschaltstroms verwendet.

Neben dem Leistungs-MOSFET trägt auch der aktive Charakter der eFuses zu ihren zahlreichen Leistungsvorteilen bei (Tabelle). Herkömmliche Sicherungen und PPTCs sind passive Komponenten mit einer geringen Genauigkeit in Bezug auf den Auslösestrom. Sie sind auf die Joule-Erwärmung angewiesen, die Zeit braucht, um sich zu entwickeln, was ihre Reaktionszeit verlängert.

Eine eFuse überwacht ständig den Strom

Eine eFuse hingegen überwacht ständig den Strom, und sobald dieser das 1,6-fache des einstellbaren Stromgrenzwerts erreicht, wird der Kurzschlussschutz ausgelöst. Einmal ausgelöst, reduziert die ultraschnelle Kurzschlussschutztechnik in eFuses den Strom in nur 150 bis 320 ns auf nahezu Null, verglichen mit den Reaktionszeiten von Schmelzsicherungen und PPTCs von 1 Sekunde oder länger. Diese schnelle Reaktionszeit verringert die Belastung des Systems und erhöht die Robustheit. Da eine eFuse durch einen Kurzschluss nicht zerstört wird, kann sie mehrfach verwendet werden.

Im Vergleich zu herkömmlichen Sicherungen, die nur einmal verwendet werden können, tragen eFuses zu geringeren Wartungskosten und kürzeren Wiederherstellungs- und Reparaturzeiten bei. Bei eFuses gibt es zwei Arten der Wiederherstellung von Fehlerzuständen: Die automatische Wiederherstellung kehrt zum Normalbetrieb zurück, sobald der Fehlerzustand beseitigt ist, und der Schutz mit Verriegelung, der wiederhergestellt wird, wenn ein externes Signal angelegt wird, nachdem der Fehler beseitigt wurde. Überspannungs- und Wärmeschutz sind mit eFuses ebenfalls gegeben, was mit herkömmlichen Sicherungen oder PPTCs nicht möglich ist.

Kriterien für die Auswahl von elektronischen Sicherungen

Die Auswahl der geeigneten eFuse beginnt in der Regel mit den Stromschienen der Anwendung. Für 5- bis 12-V-Stromschienen sind die eFuses der Serie TCKE8xx eine gute Wahl. Sie sind für eine Eingangsspannung von bis zu 18 V und 5 A ausgelegt, nach IEC 62368-1 zertifiziert, erfüllen die Anforderungen von UL2367 und werden in einem WSON10B-Gehäuse mit einer Grundfläche von 3,0 mm x 3,0 mm und 0,7 mm Höhe sowie einem Raster von 0,5 mm geliefert.

Die TCKE8xx-Serie bietet Entwicklern Flexibilität, einschließlich einer einstellbaren Überstromgrenze, die über einen externen Widerstand eingestellt werden kann, einer einstellbaren Anstiegsgeschwindigkeitskontrolle, die über einen externen Kondensator eingestellt werden kann, einem Über- und Unterspannungsschutz, einer thermischen Abschaltung und einem Steuerpin für einen optionalen externen Rückstromsperr-FET.

Die Entwickler haben außerdem die Wahl zwischen drei verschiedenen Überspannungs-Klemmstufen: 6,04 V für 5-V-Systeme (z. B. TCKE805NL,RF), 15,1 V für 12-V-Systeme (einschließlich TCKE812NL,RF) und ohne Klemmung (wie TCKE800NL,RF) (Bild 3). Der Überspannungsschutz ist je nach Modell als Auto-Retry und Klemmung verfügbar, und die Klemmwerte werden mit einer Genauigkeit von sieben Prozent eingestellt. Die Unterspannungssperre ist über einen externen Widerstand programmierbar. Die thermische Abschaltung schützt den IC vor Übertemperatur, indem sie die eFuse abschaltet, wenn ihre Temperatur 160 °C überschreitet. Modelle mit automatischem Neustart für den Wärmeschutz starten neu, wenn die Temperatur um 20 K sinkt.

Strom- und Spannungsrampen beim Einschalten einstellbar

Um einen stabilen Betrieb zu gewährleisten, bieten diese eFuses die Möglichkeit, die Strom- und Spannungsrampen beim Einschalten einzustellen (Bild 4). Beim Einschalten der Stromversorgung kann ein großer Einschaltstrom in den Ausgangskondensator fließen und die eFuse auslösen, was zu einem instabilen Betrieb führt. Ein externer Kondensator am dV/dT-Pin der eFuse legt die Einschaltrampe für Spannung und Strom fest und verhindert so Fehlauslösungen.

Je nach den Anforderungen der Anwendung können die Entwickler einen externen N-Kanal-Leistungs-MOSFET zur Sperrung des Rückstroms, eine Diode zur Unterdrückung transienter Eingangsspannungen (TVS-Diode) und eine Schottky-Sperrschichtdiode (SBD) zum Schutz vor negativen Spannungsspitzen am Ausgang der eFuse hinzufügen (Bild 5). Die Sperrung von Rückstrom kann bei Anwendungen wie Hot-Swap-Festplattenlaufwerken und Batterieladegeräten nützlich sein. Der externe MOSFET wird über den EFET-Pin gesteuert.

Der Einsatz einer TVS-Diode ist in Systemen erforderlich, in denen transiente Spannungen auf dem Versorgungsbus auftreten, die den maximalen Nennwert der eFuse überschreiten. In einigen Anwendungen kann am Ausgang der eFuse eine negative Spannungsspitze auftreten, und der optionale SBD schützt ICs und andere Komponenten auf der Lastseite sowie die eFuse. Toshiba empfiehlt den SSM6K513NU,LF als externen MOSFET, die DF2S23P2CTC,L3F als TVS-Diode und die CUHS20S30,H3F als SBD.

eFuse mit eingebautem Rückstromsperr-MOSFET

Für Anwendungen, die eine möglichst kleine Lösung und Rückstromsperre benötigen, können Entwickler auf die eFuse TCKE712BNL,RF zurückgreifen, die zwei interne MOSFETs enthält (Bild 6). Der zweite interne MOSFET bringt keine Leistungseinbußen mit sich; die kombinierten Durchlasswiderstände beider MOSFETs betragen nur 53 mΩ, was in etwa dem Wert bei Verwendung eines externen Sperr-MOSFETs entspricht.

Im Vergleich zu den Festspannungsdesigns der Serie TCKE8xx bietet die TCKE712BNL,RF einen Eingangsspannungsbereich von 4,4 bis 13,2 V. Um diesen Bereich möglicher Eingangsspannungen zu unterstützen, verfügt sie über einen Überspannungsschutz-Pin (OVP), der es Entwicklern ermöglicht, den Überspannungsschutzlevel so einzustellen, dass er den spezifischen Systemanforderungen gerecht wird. Darüber hinaus verfügt die TCKE712BNL über einen zusätzlichen FLAG-Pin, der einen Open-Drain-Signalausgang bereitstellt, der das Vorliegen eines Fehlerzustands anzeigt.

eFuses als leistungsstarke und flexible Alternative

Der Schutz von Schaltkreisen und Anwendern in elektronischen Systemen ist von entscheidender Bedeutung, vor allem, da die Zahl der Geräte zunimmt und die Gefahr von Fehlern steigt. Gleichzeitig müssen Entwickler die Kosten und den Platzbedarf so gering wie möglich halten und ein Höchstmaß an Schutzflexibilität erreichen sowie angemessene Schutzstandards erfüllen.

Mit ihrem ultraschnellen Betrieb, ihrer Präzision, Zuverlässigkeit und Wiederverwendbarkeit bieten eFuses den Entwicklern nicht nur eine leistungsstarke und flexible Alternative zu herkömmlichen Sicherungen und PPTC-Bauteilen, sondern sie verfügen auch über eine breite Palette integrierter Funktionen, die die Entwicklung von Schaltkreisen und Anwenderschutz erheblich vereinfachen.

* Rolf Horn ist Applikationsingenieur bei Digi-Key Electronics.

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