تصميم دوائر كهربائية أكثر أماناً: كيفية اختيار الصمامات الإلكترونية المثالية
حتى الصمامات المتواضعة لا يمكن أن تفلت من التقدم، حيث إن النهج البسيط الذي كان يستخدم في خرطوشة سلك في خرطوشة زجاجية يفسح المجال للصمامات الإلكترونية الذكية (eFuses) التي توفر قدرات وتطورًا أكبر بكثير.
على الرغم من أن الكثير قد تغير، إلا أن الأساسيات لا تزال كما هي - جميع الصمامات هي أجهزة حماية تحمي الدوائر من حالات التيار الزائد، سواء كان ذلك مئات الأمبيرات أو بضعة مللي أمبير. تستلزم الحماية عادةً فصل الدائرة عن مصدر الطاقة. مع الصمامات التقليدية، يعني ذلك ذوبان سلك المصهر المتكامل، مما يتطلب الاستبدال المادي للمصهر. أما مع الصمامات الإلكترونية، فيتم تسهيل الفصل باستخدام مفتاح شبه موصل يسمح بإعادة ضبط الجهاز - وغالباً ما يكون ذلك تلقائياً.
تصفح أجهزة حماية التيار onsemi: حماية التيار
إن السلك الموجود في الصمامات التقليدية هو ببساطة السلك الذي يحدد كيفية فصله للحمل (ويعرف أيضًا باسم “ينفجر”) بينما يمكن تعديل هذه الخاصية في الصمامات الإلكترونية، وغالبًا ما يتم ذلك من خلال تطبيق مقاوم خارجي على دبوس مخصص. ومع ذلك، لفهم الطريقة التي “تنفجر” بها الصمامات الإلكترونية يتطلب النظر في أكثر من مجرد التيار المار عبر الجهاز.
تتمثل الخطوة الأولى في فهم الخصائص الحرارية للصمامات الإلكترونية حيث يمكن أن يختلف ذلك بشكل كبير. ومع التيارات العالية التي ينطوي عليها الأمر، فإن الإجهاد الحراري هو وضع فشل شائع في العديد من الأنظمة - ويصبح أكثر شيوعًا مع انخفاض هندسة الجهاز.
ويرتبط الأداء الحراري لأي جهاز (بما في ذلك الصمامات الإلكترونية) بالحجم المادي والبناء. ففي معظم التصاميم يوجد عدد من الطبقات بين وصلة أشباه الموصلات والهواء المحيط، وهذا هو “السلم الحراري” الذي يجب أن تمر الطاقة الحرارية من خلاله لتبديدها.
يستغرق نقل الحرارة وقتًا، لذا فإن الطاقة الحرارية المرتبطة بالنبضات القصيرة ستبقى بالكامل داخل الجهاز. في العديد من الصمامات الإلكترونية (اعتمادًا على السعة الحرارية)، ستصل بعض الطاقة الحرارية من النبضات التي تزيد مدتها عن 10 مللي ثانية إلى العبوة وتبدأ في التبدد في الهواء المحيط أو في ثنائي الفينيل متعدد الكلور الذي تم تركيب الجهاز عليه.
سيسمح تحليل التيار في الحالة المستقرة بتحليل RDS(ON) من الصمامات الإلكترونية التي سيتم تحديدها بناءً على المعاوقة الحرارية (ºس/ث) ودرجة الحرارة المحيطة ودرجة حرارة الوصلة القصوى. ومن ذلك، سيتمكن المصمم من حساب حدود التشغيل لجهاز معين.
بعد ذلك، يتم تقييم الأداء الديناميكي من خلال تطبيق نبضات تيار عالية لفترات مختلفة. ومن هذا يمكن استنتاج (ورسم) المعاوقة الحرارية مقابل مدة النبضة.
بشكل عام، ستكون المعاوقة الحرارية أقل بالنسبة للنبضات الأقصر والمعلمات مثل RDS(ON) وسيحدد حجم القالب شكل منحنى المعاوقة لهذه النبضات الأقصر. أما بالنسبة للنبضات الأطول (حيث يكون لدى الطاقة الحرارية وقت للانتشار عبر الجهاز)، سيكون لثنائي الفينيل متعدد الكلور تأثير أكبر. ستغير سمات مثل الطبقات الأكثر والنحاس الأثقل بالإضافة إلى ميزات مثل الوسادات الحرارية شكل المنحنى.
في حين أن طريقة التوصيف متسقة، إلا أنه يجب إجراؤها على أساس كل تطبيق على حدة لمراعاة العوامل المتغيرة (مثل ثنائي الفينيل متعدد الكلور). فقط من خلال القيام بذلك وفهم واضح لسعة ومدة النبضات الحالية، يمكن تحديد المصهر الإلكتروني الصحيح لتطبيق معين.
على الرغم من أن هذا التوصيف مفيد، إلا أنه للاستخدام العملي يجب عكس منحنى المعاوقة مقابل الزمن لإعطاء التيار مقابل الزمن. للقيام بذلك، يجب معرفة RDS(ON) و ∆t (التغير المقبول في درجة حرارة القالب).
من هذه المنحنيات، يمكن تحديد أقصى مدة للنبض لارتفاع معين في درجة حرارة الوصلة (Tj) بسرعة وسهولة. وبالطبع، تملي ممارسات التصميم الجيدة ضرورة السماح بهامش أمان معين ويتم تحديده على أساس كل حالة على حدة لكل تطبيق.
الاعتبار الأخير هو النظر إلى أي أسلاك تحمل التيار الذي سيمر عبر المصهر الإلكتروني. المعامل المستخدم هو “مربع التيار × الزمن” أو I2t. بالنسبة للصمامات التقليدية عادةً ما يتم تعريف ذلك كقيمة ثابتة، إلى جانب تيار الصمامات الاسمي.
ومع ذلك، فإن هذا النهج القائم على خط مستقيم يحد بشكل مصطنع من الأداء حيث أن حزام الأسلاك قادر على فترات أطول عندما يكون التيار أقل. ولهذا السبب، عادةً ما تتبع نقاط الرحلة في الصمامات الإلكترونية منحنى، مما يسمح باستخدام المزيد من قدرة النظام.
سيسمح اتباع نهج المنحنى هذا بتحديد حجم عناصر النظام بشكل مناسب للأداء اللازم وسيوفر المساحة والوزن والتكلفة.