더 안전한 회로 설계: 이상적인 e퓨즈 선택 방법
단순한 유리 카트리지 내 와이어 방식이 훨씬 더 많은 기능과 정교함을 제공하는 지능형 전자 퓨즈(eFuse)로 대체되고 있기 때문에 소박한 퓨즈도 발전을 피할 수 없습니다.
퓨즈는 수백 암페어 또는 몇 밀리암페어 등 과전류 상황으로부터 회로를 보호하는 보호 장치로, 많은 것이 바뀌었지만 기본은 동일합니다. 보호에는 일반적으로 전원에서 회로를 분리하는 것이 수반됩니다. 기존 퓨즈를 사용하면 일체형 퓨즈 와이어가 녹아 퓨즈를 물리적으로 교체해야 합니다. eFuse를 사용하면 반도체 스위치를 통해 디바이스를 리셋할 수 있으며, 종종 자동으로 연결이 해제됩니다.
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기존 퓨즈의 전선은 단순히 부하를 차단하는 방식(일명 “블로우”)을 정의하는 반면, eFuse는 전용 핀에 외부 저항을 적용하여 이 특성을 변경할 수 있습니다(가장 일반적으로 외부 저항을 적용하는 방식). 그러나 eFuse가 “블로우”되는 방식을 이해하려면 장치를 통과하는 전류 그 이상을 고려해야 합니다.
첫 번째 단계는 e퓨즈의 열 특성이 크게 달라질 수 있으므로 이를 이해하는 것입니다. 높은 전류가 수반되는 열 스트레스는 많은 시스템에서 일반적인 고장 모드이며, 디바이스 형상이 줄어들면서 더욱 일반화되고 있습니다.
모든 디바이스(e퓨즈 포함)의 열 성능은 물리적 크기 및 구조와 관련이 있습니다. 대부분의 설계에서 반도체 접합부와 주변 공기 사이에는 여러 층이 존재하며, 열 에너지가 방출되기 위해 통과해야 하는 “열 사다리'가 바로 이 층입니다.
열을 이동하는 데는 시간이 걸리므로 짧은 펄스와 관련된 열 에너지는 전적으로 장치 내에 남아 있게 됩니다. 많은 eFuse(열 커패시턴스에 따라 다름)에서 10ms보다 긴 펄스의 열 에너지 중 일부는 패키지에 도달하여 주변 공기 또는 디바이스가 장착된 PCB로 방출되기 시작합니다.
정상 상태의 전류를 분석하면 RDS(ON) 열 임피던스(ºC/W), 주변 온도 및 최대 접합 온도에 따라 결정되는 eFuse의 값입니다. 이를 통해 설계자는 특정 디바이스의 작동 한계를 계산할 수 있습니다.
다음으로 다양한 지속 시간의 고전류 펄스를 적용하여 동적 성능을 평가합니다. 이를 통해 펄스 지속 시간에 대한 열 임피던스를 추론하고 플롯할 수 있습니다.
일반적으로 열 임피던스는 펄스가 짧을수록, 그리고 RDS(ON) 와 다이 크기에 따라 이러한 짧은 펄스에 대한 임피던스 곡선의 모양이 정의됩니다. 더 긴 펄스(열 에너지가 디바이스를 통해 전파될 시간이 있는 경우)의 경우 PCB가 더 큰 영향을 미칩니다. 더 많은 레이어와 더 무거운 구리와 같은 특성 및 열 패드와 같은 기능은 곡선 모양을 변경합니다.
특성화 방법은 일관성이 있지만, 가변 요소(예: PCB)를 고려하기 위해 애플리케이션별로 수행해야 합니다. 이 작업을 수행하고 전류 펄스의 진폭과 지속 시간을 명확하게 이해해야만 특정 애플리케이션에 맞는 올바른 eFuse를 지정할 수 있습니다.
이 특성화는 유용하지만 실제 사용을 위해서는 임피던스 대 시간 곡선을 반전하여 전류 대 시간을 제공해야 합니다. 이를 위해서는 RDS(ON)과 ∆t(다이 온도의 허용 가능한 변화)를 알아야 합니다.
이러한 곡선을 통해 주어진 정션 온도(Tj) 상승에 대한 펄스의 최대 지속 시간을 빠르고 쉽게 결정할 수 있습니다. 물론 올바른 설계 관행에 따라 약간의 안전 여유를 허용해야 하며, 이는 각 애플리케이션에 따라 사례별로 결정됩니다.
마지막으로 고려해야 할 사항은 e퓨즈를 통과하는 전류를 전달하는 배선을 살펴보는 것입니다. 매개변수 사용은 “전류 제곱 x 시간” 또는 I2t입니다. 기존 퓨즈의 경우 이 값은 일반적으로 공칭 퓨즈 전류와 함께 상수 값으로 정의됩니다.
그러나 이러한 직선 방식은 전류가 낮을 때 배선 하니스가 더 오래 지속될 수 있기 때문에 인위적으로 성능을 제한합니다. 이러한 이유로 eFuse에서는 일반적으로 트립 포인트가 곡선을 그리며 시스템 기능을 더 많이 사용할 수 있도록 합니다.
이 곡선 접근 방식을 사용하면 필요한 성능에 맞게 시스템 요소의 크기를 적절히 조정할 수 있으며 공간, 무게 및 비용을 절약할 수 있습니다.