Sichere Stromkreise entwerfen: Wie man die ideale eFuse auswählt
Selbst die einfache Sicherung kann sich dem Fortschritt nicht entziehen, da der einfache Draht-im-Glas-Kartuschen-Ansatz intelligenten elektronischen Sicherungen (eFuses) weicht, die weitaus mehr Möglichkeiten und Raffinesse bieten.
Obwohl sich viel geändert hat, sind die Grundlagen gleich geblieben - alle Sicherungen sind Schutzvorrichtungen, die Stromkreise vor Überstromsituationen schützen, egal ob es sich um Hunderte von Ampere oder einige Milliampere handelt. Der Schutz besteht normalerweise darin, den Stromkreis von der Stromquelle zu trennen. Bei herkömmlichen Sicherungen bedeutet dies, dass der integrierte Sicherungsdraht schmilzt und die Sicherung physisch ausgetauscht werden muss. Bei einer eFuse wird die Unterbrechung durch einen Halbleiterschalter erleichtert, mit dem das Gerät - oft automatisch - zurückgesetzt werden kann.
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Es ist einfach der Draht in einer konventionellen Sicherung, der bestimmt, wie sie die Last unterbricht (auch bekannt als “auslöst”), während eSicherungen in der Lage sind, diese Eigenschaft zu modifizieren, meist durch die Anwendung eines externen Widerstands an einem speziellen Pin. Um zu verstehen, wie eSicherungen “auslösen”, muss man jedoch viel mehr als nur den Strom berücksichtigen, der durch das Gerät fließt.
Der erste Schritt besteht darin, die thermischen Eigenschaften der eFuse zu verstehen, da diese erheblich variieren können. Bei den hohen Strömen, die hier fließen, ist thermische Belastung eine häufige Fehlerart für viele Systeme - und sie wird immer häufiger, je kleiner die Gerätegeometrien werden.
Die thermische Leistung eines jeden Bauelements (einschließlich eFuses) ist mit der physischen Größe und Konstruktion verbunden. Bei den meisten Konstruktionen befinden sich mehrere Schichten zwischen dem Halbleiterübergang und der Umgebungsluft, und es ist diese “Wärmeleiter”, durch die die Wärmeenergie abgeleitet werden muss.
Wärmebewegung braucht Zeit, daher verbleibt die mit kurzen Impulsen verbundene Wärmeenergie vollständig im Gerät. Bei vielen eFuses (abhängig von der thermischen Kapazität) erreicht ein Teil der Wärmeenergie von Impulsen, die länger als 10 ms dauern, das Gehäuse und beginnt, in die Umgebungsluft oder die Leiterplatte, auf der das Gerät montiert ist, abzuleiten.
Die Analyse des Stroms im eingeschwungenen Zustand ermöglicht die Bestimmung des RDS(ON) der eFuse auf der Grundlage der thermischen Impedanz (ºC/W), der Umgebungstemperatur und der maximalen Sperrschichttemperatur zu bestimmen. Auf dieser Grundlage kann der Konstrukteur die Betriebsgrenzen für ein bestimmtes Gerät berechnen.
Anschließend wird die dynamische Leistung durch Anlegen von Hochstromimpulsen unterschiedlicher Dauer bewertet. Daraus lässt sich die thermische Impedanz in Abhängigkeit von der Impulsdauer ableiten (und aufzeichnen).
Im Allgemeinen ist die thermische Impedanz bei kürzeren Impulsen geringer und Parameter wie RDS(ON) und die Chipgröße bestimmen die Form der Impedanzkurve für diese kürzeren Pulse. Bei längeren Impulsen (bei denen die Wärmeenergie Zeit hat, sich durch das Gerät auszubreiten) hat die Leiterplatte einen größeren Einfluss. Eigenschaften wie mehr Lagen und schwereres Kupfer sowie Merkmale wie Wärmeleitpads verändern die Form der Kurve.
Die Charakterisierungsmethode ist zwar einheitlich, muss aber für jede Anwendung einzeln durchgeführt werden, um die variablen Faktoren (wie die Leiterplatte) zu berücksichtigen. Nur auf diese Weise und mit einem klaren Verständnis der Amplitude und Dauer der Stromimpulse kann die richtige eFuse für eine bestimmte Anwendung spezifiziert werden.
Obwohl diese Charakterisierung nützlich ist, muss für die praktische Anwendung die Impedanz-Zeit-Kurve invertiert werden, um den Strom in Abhängigkeit von der Zeit zu ermitteln. Dazu müssen RDS(ON) und ∆t (zulässige Änderung der Chiptemperatur) bekannt sein.
Anhand dieser Kurven kann die maximale Dauer eines Impulses für einen bestimmten Anstieg der Sperrschichttemperatur (Tj) schnell und einfach bestimmt werden. Natürlich sollte nach guter Entwurfspraxis ein gewisser Sicherheitsabstand eingehalten werden, der von Fall zu Fall für die jeweilige Anwendung festgelegt wird.
Die letzte Überlegung bezieht sich auf alle Leitungen, die Strom führen, der durch die eFuse fließen wird. Der verwendete Parameter ist “Strom zum Quadrat x Zeit” oder I2t. Bei einer herkömmlichen Sicherung wird dieser Wert in der Regel als Konstante definiert, zusammen mit dem Nennstrom der Sicherung.
Dieser geradlinige Ansatz schränkt jedoch die Leistung künstlich ein, da ein Kabelbaum bei einem geringeren Strom zu einer längeren Dauer fähig ist. Aus diesem Grund folgen die Auslösepunkte bei einer eFuse normalerweise einer Kurve, so dass ein größerer Teil der Systemkapazität genutzt werden kann.
Durch diesen Kurvenansatz können die Systemelemente entsprechend der erforderlichen Leistung dimensioniert werden, was Platz, Gewicht und Kosten spart.