Diseño de circuitos más seguros: Cómo seleccionar el fusible electrónico ideal
Ni siquiera el humilde fusible puede escapar al progreso, ya que el simple enfoque de cable en cartucho de vidrio está dando paso a los fusibles electrónicos inteligentes (eFuses), que ofrecen mucha más capacidad y sofisticación.
Aunque han cambiado muchas cosas, los fundamentos siguen siendo los mismos: todos los fusibles son dispositivos de protección que protegen los circuitos de situaciones de sobrecorriente, ya sea de cientos de amperios o de unos pocos miliamperios. Normalmente, la protección implica desconectar el circuito de la fuente de alimentación. Con los fusibles tradicionales, esto significa que el hilo fusible integrado se funde, lo que requiere la sustitución física del fusible. Con un eFuse, la desconexión se facilita con un interruptor semiconductor que permite restablecer el dispositivo, a menudo automáticamente.
Buscar dispositivos de protección de corriente onsemi: Protección de corriente
En un fusible convencional, es simplemente el cable el que define cómo desconecta la carga (es decir, cómo “se funde”), mientras que los fusibles electrónicos pueden modificar esta característica, normalmente mediante la aplicación de una resistencia externa a un pin específico. Sin embargo, para entender la forma en que se “funden” los fusibles electrónicos hay que tener en cuenta mucho más que la corriente que pasa por el dispositivo.
El primer paso consiste en conocer las características térmicas del eFuse, ya que pueden variar considerablemente. Con las altas corrientes que se producen, el estrés térmico es un modo de fallo habitual en muchos sistemas, y cada vez más común a medida que se reducen las geometrías de los dispositivos.
El rendimiento térmico de cualquier dispositivo (incluidos los fusibles electrónicos) está relacionado con el tamaño físico y la construcción. En la mayoría de los diseños hay una serie de capas entre la unión del semiconductor y el aire ambiente y es esta “escalera térmica” a través de la cual debe pasar la energía térmica para disiparse.
Mover el calor lleva tiempo, por lo que la energía térmica asociada a pulsos cortos permanecerá totalmente dentro del dispositivo. En muchos fusibles electrónicos (dependiendo de la capacitancia térmica), parte de la energía térmica de los impulsos de más de 10 ms llegará al encapsulado y empezará a disiparse en el aire ambiente o en la placa de circuito impreso en la que esté montado el dispositivo.
El análisis de la corriente en estado estacionario permitirá determinar el valor de RDS(ON) del eFuse que se determinará en función de la impedancia térmica (ºC/W), la temperatura ambiente y la temperatura máxima de unión. A partir de ahí, el diseñador podrá calcular los límites de funcionamiento de un dispositivo concreto.
A continuación, se evalúa el rendimiento dinámico aplicando impulsos de corriente elevada de distintas duraciones. A partir de ahí es posible deducir (y representar gráficamente) la impedancia térmica en función de la duración del impulso.
En general, la impedancia térmica será menor para pulsos más cortos y parámetros como RDS(ON) y el tamaño de la matriz definirán la forma de la curva de impedancia para estos pulsos más cortos. Para pulsos más largos (en los que la energía térmica tiene tiempo de propagarse por el dispositivo), la placa de circuito impreso tendrá un mayor impacto. Atributos como un mayor número de capas y un cobre más pesado, así como características como las almohadillas térmicas, cambiarán la forma de la curva.
Aunque el método de caracterización es coherente, debe realizarse aplicación por aplicación para tener en cuenta los factores variables (como la placa de circuito impreso). Solo si se hace esto y se tiene una idea clara de la amplitud y duración de los pulsos de corriente, se puede especificar el eFuse correcto para una aplicación concreta.
Aunque esta caracterización es útil, para un uso práctico es necesario invertir la curva de impedancia frente al tiempo para obtener la corriente frente al tiempo. Para ello, deben conocerse RDS(ON) y ∆t (cambio aceptable en la temperatura de la matriz).
A partir de estas curvas, se puede determinar rápida y fácilmente la duración máxima de un impulso para un aumento dado de la temperatura de unión (Tj). Por supuesto, las buenas prácticas de diseño dictan que debe permitirse cierto margen de seguridad, que se determina caso por caso para cada aplicación.
La última consideración es mirar cualquier cableado que lleve corriente que pasará a través del eFuse. El parámetro utilizado es “corriente al cuadrado x tiempo” o I2t. Para un fusible tradicional, suele definirse como un valor constante, junto con la corriente nominal del fusible.
Sin embargo, este enfoque en línea recta limita artificialmente el rendimiento, ya que un mazo de cables es capaz de duraciones más largas cuando la corriente es menor. Por este motivo, en un eFuse los puntos de disparo seguirán normalmente una curva, lo que permite utilizar una mayor parte de la capacidad del sistema.
Adoptar este enfoque curvo permitirá dimensionar adecuadamente los elementos del sistema en función de las prestaciones necesarias y ahorrará espacio, peso y costes.