Thiết kế mạch an toàn hơn: Cách chọn eFuse lý tưởng
Ngay cả chiếc cầu chì đơn giản cũng không thể thoát khỏi sự tiến bộ, khi phương pháp truyền thống sử dụng dây kim loại trong vỏ thủy tinh đang nhường chỗ cho các cầu chì điện tử thông minh (eFuses), mang lại khả năng và tính năng phức tạp hơn nhiều.
Mặc dù đã có nhiều thay đổi, nhưng nguyên lý cơ bản vẫn không đổi – tất cả các cầu chì đều là thiết bị bảo vệ mạch điện khỏi các tình huống quá dòng, dù đó là hàng trăm ampe hay chỉ vài miliampe. Bảo vệ thông thường bao gồm việc ngắt kết nối mạch điện khỏi nguồn điện. Với các cầu chì truyền thống, điều này có nghĩa là dây cầu chì bên trong sẽ tan chảy, yêu cầu phải thay thế cầu chì bằng tay. Với eFuse, việc ngắt kết nối được thực hiện thông qua một công tắc bán dẫn, cho phép thiết bị được reset – thường là tự động.
Xem các thiết bị bảo vệ dòng điện của onsemi: Bảo vệ dòng điện
Đơn giản, dây trong cầu chì truyền thống chính là yếu tố quyết định cách nó ngắt kết nối tải (còn gọi là “nổ”). Trong khi đó, eFuses có thể điều chỉnh đặc tính này, thường thông qua việc gắn một điện trở bên ngoài vào một chân cắm chuyên dụng. Tuy nhiên, để hiểu cách eFuses “nổ”, cần xem xét nhiều yếu tố hơn là chỉ dòng điện đi qua thiết bị.
Bước đầu tiên là hiểu rõ các đặc tính nhiệt của eFuse, vì chúng có thể thay đổi đáng kể. Với dòng điện cao, ứng suất nhiệt là nguyên nhân hỏng hóc phổ biến cho nhiều hệ thống – và ngày càng phổ biến hơn khi kích thước thiết bị ngày càng nhỏ gọn.
Hiệu suất nhiệt của bất kỳ thiết bị nào (bao gồm cả eFuses) đều liên quan đến kích thước vật lý và cấu trúc của nó. Trong hầu hết các thiết kế, có một số lớp nằm giữa tiếp điểm bán dẫn và không khí xung quanh, và chính “thang nhiệt” này là nơi nhiệt năng phải đi qua để được tản nhiệt.
Việc truyền nhiệt cần thời gian, do đó năng lượng nhiệt liên quan đến các xung ngắn sẽ hoàn toàn được giữ lại bên trong thiết bị. Trong nhiều eFuses (tùy thuộc vào điện dung nhiệt), một phần năng lượng nhiệt từ các xung có thời gian dài hơn 10 ms sẽ truyền đến vỏ thiết bị và bắt đầu tỏa ra không khí xung quanh hoặc bảng mạch in (PCB) mà thiết bị được lắp đặt.
Phân tích dòng điện ở trạng thái ổn định sẽ cho phép RDS(ON) Giá trị của eFuse sẽ được xác định dựa trên điện trở nhiệt (ºC/W), nhiệt độ môi trường và nhiệt độ tiếp điểm tối đa. Từ đó, nhà thiết kế có thể tính toán giới hạn hoạt động cho một thiết bị cụ thể.
Tiếp theo, hiệu suất động được đánh giá bằng cách áp dụng các xung dòng điện cao với các khoảng thời gian khác nhau. Từ đó, có thể suy ra (và vẽ đồ thị) trở kháng nhiệt theo khoảng thời gian của xung.
Nói chung, điện trở nhiệt sẽ thấp hơn đối với các xung ngắn hơn và các thông số như R.DS(ON) Kích thước die sẽ xác định hình dạng của đường cong trở kháng cho các xung ngắn hơn. Đối với các xung dài hơn (khi năng lượng nhiệt có thời gian lan truyền qua thiết bị), bảng mạch in (PCB) sẽ có ảnh hưởng lớn hơn. Các thuộc tính như số lớp nhiều hơn, đồng dày hơn và các tính năng như miếng tản nhiệt sẽ thay đổi hình dạng của đường cong.
Mặc dù phương pháp đặc trưng hóa là nhất quán, nó phải được thực hiện trên cơ sở từng ứng dụng cụ thể để tính đến các yếu tố biến đổi (chẳng hạn như PCB). Chỉ bằng cách thực hiện điều này và có hiểu biết rõ ràng về biên độ và thời gian của các xung dòng điện, mới có thể xác định đúng eFuse cho một ứng dụng cụ thể.
Mặc dù mô tả này hữu ích, nhưng để sử dụng thực tế, đồ thị trở kháng theo thời gian cần được đảo ngược để cho ra đồ thị dòng điện theo thời gian. Để làm điều này, cần biết giá trị RDS(ON) và ∆t (sự thay đổi nhiệt độ die có thể chấp nhận được).
Từ các đường cong này, thời gian tối đa của một xung cho một sự tăng nhiệt độ tiếp điểm (Tj) nhất định có thể được xác định nhanh chóng và dễ dàng. Tất nhiên, nguyên tắc thiết kế tốt yêu cầu phải có một biên độ an toàn và điều này được xác định trên cơ sở từng trường hợp cụ thể cho mỗi ứng dụng.
Xem xét cuối cùng là kiểm tra bất kỳ mạch điện nào dẫn dòng điện sẽ đi qua eFuse. Thông số được sử dụng là “dòng điện bình phương nhân với thời gian” hoặc I²t. Đối với cầu chì truyền thống, giá trị này thường được định nghĩa là một giá trị cố định, cùng với dòng điện danh định của cầu chì.
Tuy nhiên, phương pháp tuyến tính này giới hạn nhân tạo hiệu suất, vì một bộ dây dẫn có thể hoạt động trong thời gian dài hơn khi dòng điện thấp hơn. Vì lý do này, trong một eFuse, các điểm ngắt mạch thường tuân theo một đường cong, cho phép sử dụng nhiều hơn khả năng của hệ thống.
Áp dụng phương pháp thiết kế theo đường cong này sẽ cho phép các thành phần hệ thống được thiết kế với kích thước phù hợp để đáp ứng yêu cầu hiệu suất cần thiết, đồng thời tiết kiệm không gian, trọng lượng và chi phí.