Проектирование более безопасных схем: Как выбрать идеальный предохранитель eFuse
Даже скромный предохранитель не может избежать прогресса, так как простой метод "провод в стеклянном патроне" уступает место интеллектуальным электронным предохранителям (eFuses), которые обладают гораздо большими возможностями и сложностью.
Хотя многое изменилось, основы остались прежними - все предохранители являются защитными устройствами, которые предохраняют цепи от перегрузки по току, будь то сотни ампер или несколько миллиампер. Защита обычно подразумевает отключение схемы от источника питания. При использовании традиционных предохранителей это означает, что встроенный провод предохранителя плавится, что требует физической замены предохранителя. В электронном предохранителе отключение происходит с помощью полупроводникового переключателя, который позволяет вернуть устройство в исходное состояние - часто автоматически.
Обзор устройств токовой защиты onsemi: Токовая защита
Просто провод в обычном предохранителе определяет, как он отключает нагрузку (он же “перегорает”), в то время как у электронных предохранителей эта характеристика может быть изменена, чаще всего путем подключения внешнего резистора к специальному контакту. Однако для понимания того, как “срабатывают” электронные предохранители, необходимо учитывать гораздо больше, чем просто ток, проходящий через устройство.
Прежде всего необходимо понять тепловые характеристики предохранителя eFuse, поскольку они могут существенно различаться. При высоких токах тепловой стресс является обычным способом отказа для многих систем - и становится все более распространенным по мере уменьшения геометрии устройств.
Тепловые характеристики любого устройства (включая eFuses) связаны с его физическими размерами и конструкцией. В большинстве конструкций между полупроводниковым переходом и окружающим воздухом находится несколько слоев, и именно через эту “тепловую лестницу” должна проходить тепловая энергия, чтобы рассеиваться.
Перемещение тепла требует времени, поэтому тепловая энергия, связанная с короткими импульсами, будет полностью оставаться внутри устройства. Во многих предохранителях eFuses (в зависимости от тепловой емкости) часть тепловой энергии от импульсов длительностью более 10 мс достигает корпуса и начинает рассеиваться в окружающем воздухе или на печатной плате, на которой установлено устройство.
Анализ тока в установившемся режиме позволит определить RDS(ON) предохранителя eFuse можно определить на основе теплового сопротивления (ºC/Вт), температуры окружающей среды и максимальной температуры спая. Исходя из этого, проектировщик сможет рассчитать пределы эксплуатации конкретного устройства.
Далее оцениваются динамические характеристики путем подачи импульсов высокого тока различной длительности. Из этого можно сделать вывод (и построить график) зависимости теплового импеданса от длительности импульса.
В целом, тепловое сопротивление будет ниже для более коротких импульсов и таких параметров, как RDS(ON) и размер матрицы определяют форму кривой импеданса для более коротких импульсов. Для более длинных импульсов (когда тепловая энергия успевает распространиться по устройству) большее влияние оказывает печатная плата. Такие атрибуты, как большее количество слоев и более толстая медь, а также такие особенности, как тепловые прокладки, изменят форму кривой.
Хотя метод определения характеристик является последовательным, его необходимо применять для каждого конкретного случая, чтобы учесть изменяющиеся факторы (например, печатную плату). Только сделав это и имея четкое представление об амплитуде и длительности импульсов тока, можно выбрать правильный предохранитель eFuse для конкретного применения.
Хотя эта характеристика полезна, для практического использования кривую зависимости импеданса от времени необходимо инвертировать, чтобы получить зависимость тока от времени. Для этого необходимо знать RDS(ON) и ∆t (допустимое изменение температуры корпуса).
По этим кривым можно быстро и легко определить максимальную длительность импульса при заданном повышении температуры спая (Tj). Конечно, хорошая практика проектирования диктует необходимость обеспечения некоторого запаса прочности, который определяется в каждом конкретном случае для каждого приложения.
В заключение необходимо рассмотреть все провода, по которым проходит ток, проходящий через предохранитель eFuse. Используется параметр “ток в квадрате х время” или I2t. Для традиционного предохранителя этот параметр обычно определяется как постоянное значение, наряду с номинальным током предохранителя.
Однако такой прямолинейный подход искусственно ограничивает производительность, поскольку жгут проводов способен работать дольше при меньшем токе. По этой причине в предохранителях eFuse точки отключения обычно следуют кривой, что позволяет использовать больше возможностей системы.
Такой подход позволит подобрать размер элементов системы, соответствующий необходимым характеристикам, а также сэкономить место, вес и стоимость.