Jak využívat e-pojistky k návrhu kompaktních řešení ochran proti zkratu, přepětí a tepelných ochran

S rozšířením elektronických zařízení v domácnostech, kancelářích a průmyslu je stále důležitější potřeba kompaktní, levné, rychlé, resetovatelné a nastavitelné ochrany obvodů, která zajistí bezpečnost uživatelů a maximální provozuschopnost zařízení. Konvenční typy pojistek trpí nepřesnými vypínacími proudy, pomalými reakcemi a typickým nepohodlím plynoucím z nutnosti výměny pojistky.

Ačkoli lze vhodné řešení ochrany navrhnout od samého začátku, u resetovatelného zařízení není snadné dosáhnout náročné latence a požadavků na přesnost. Kromě toho se nyní očekává, že stejné řešení bude mít také nastavitelnou nadproudovou ochranu, nastavitelnou rychlost náběhu rozběhového proudu, přepěťové blokování, blokování zpětného proudu a tepelnou ochranu. Takový návrh vyžaduje řadu diskrétních součástek a několik integrovaných obvodů, které dohromady zabírají značný prostor na desce plošných spojů, zvyšují náklady a prodlužují dobu do uvedení na trh. Obtížnost zvyšuje potřeba vysoké úrovně spolehlivosti a požadavek na splnění mezinárodních bezpečnostních norem, jako jsou IEC/UL62368-1 a UL2367.

Při řešení těchto požadavků mohou konstruktéři využívat elektronické pojistky (e-pojistky) poskytující nanosekundovou (ns) ochranu proti zkratu, která je přibližně milionkrát rychlejší v porovnání s běžnými pojistkami nebo zařízeními PPTC.

Tento článek popisuje, proč je vyžadována rychlejší, robustnější, kompaktnější, spolehlivější a nákladově efektivnější ochrana obvodů, poté představí e-pojistky a princip jejich funkce. Představí také několik možností e-pojistek od společnosti Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation a ukáže, jak konstruktérům pomáhají vyhovět požadavkům na nákladově efektivní, kompaktní a robustní ochrany.

Potřeby ochrany obvodu

Ochrany proti nadproudu, zkratu, přetížení a přepětí jsou jedny ze základních potřeb ochrany obvodů elektronických systémů. Během nadproudového stavu protéká vodičem nadměrný proud. Tento stav může vést k vysoké míře generování tepla a k riziku požáru nebo poškození zařízení. Nadproud může být způsoben zkraty, přetíženími, konstrukčními poruchami, závadami součástek, vznikem oblouků nebo zemích spojení. Aby ochrana proti nadproudu chránila obvody a uživatele zařízení, musí reagovat okamžitě.

K přetížení dochází, pokud nadproud není bezprostředně nebezpečný, ale jeho dlouhodobé účinky mohou být stejně nebezpečné jako stav s vysokým nadproudem. Ochrana proti přetížení je implementována s různými časovými zpožděními na základě míry přetížení. S rostoucím přetížením se zpoždění snižuje. Ochranu proti přetížení lze implementovat pomocí pojistek s časovým zpožděním nebo s pomalou reakcí.

Přepěťové stavy mohou mít za následek nestabilní chod systému a mohou též vést ke generování nadměrného tepla a k vyššímu riziku požáru. Přepětí může také představovat bezprostřední nebezpečí pro uživatele systému nebo obsluhu. Podobně jako v případě nadproudu musí přepěťová ochrana působit rychle, aby došlo k odpojení zdroje.

Některé aplikace využívají další ochranné funkce nad rámec základních, které zajišťují bezpečný a stabilní provoz, včetně nastavitelných úrovní přepěťové a nadproudové ochrany, regulace náběhového proudu, tepelné ochrany a blokování zpětného proudu. Různá zařízení na ochranu mohou uspokojit různé kombinace těchto potřeb ochrany obvodů.

Princip funkce e-pojistek

Integrované e-pojistky poskytují rozsáhlejší ochranné funkce a vyšší úrovně kontroly ve srovnání s konvenčními pojistkami a pojistkami PPTC (obrázek 1). Kromě vysokorychlostní ochrany proti zkratu poskytují e-pojistky přesné omezování přepětí, nastavitelnou ochranu proti nadproudu, nastavitelné napětí a regulaci rychlosti přeběhu proudu, aby byly minimalizovány náběhové proudy a tepelná vypínání. Různé verze také obsahují vestavěné blokování zpětného proudu.

Obrázek 1: e-pojistka může nahrazovat konvenční pojistky nebo pojistky PPTC a poskytovat další ochranné funkce a vyšší úrovně kontroly. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Jedním z klíčových funkčních prvků e-pojistky je výkonový tranzistor MOSFET s odporem „v zapnutém stavu“, který se typicky pohybuje v řádu miliohmů (mΩ) a zvládá vysoké výstupní proudy (obrázek 2). Velmi nízký odpor v zapnutém stavu výkonového tranzistoru MOSFET během normálního provozu zajišťuje, že napětí na pinu VOUT je téměř totožné s napětím na pinu VIN. Při detekci zkratu provede tranzistor MOSFET velmi rychlé vypnutí a při návratu systému do normálního stavu se tranzistor MOSFET použije k regulaci náběhového proudu.

Obrázek 2: výkonový tranzistor MOSFET s nízkým odporem v zapnutém stavu (nahoře uprostřed) je klíčovým prvkem pro zajištění rychlé reakce e-pojistek a jejich schopností řízeného spouštění. (Zdroj obrázku: Toshiba)

K četným funkčním přednostem e-pojistek přispívá kromě výkonových tranzistorů MOSFET také jejich aktivní charakter. Konvenční pojistky a pojistky PPTC jsou pasivní součástky s nízkou přesností vypínání proudu. Spoléhají na Jouleův ohřev, jehož vývoj trvá dlouho, čímž se prodlužuje jejich reakční doba. Naproti tomu e-pojistka trvale monitoruje proud, a jakmile jeho hodnota dosáhne 1,6násobku nastavitelného limitu, dojde ke spuštění ochrany proti zkratu. Po spuštění sníží technika ochrany proti zkratu e-pojistky s ultra vysokou rychlostí proud téměř na nulu za pouhých 150 až 320 ns. Pro srovnání - konvenční a PPTC pojistky mají reakční dobu 1 sekundu nebo delší. Tato rychlá reakční doba snižuje namáhání v systému a zvyšuje jeho odolnost. Jelikož se e-pojistka při zkratu nezničí, lze ji používat opakovaně.

Tabulka 1: integrované e-pojistky poskytují vyšší rychlost ochrany, vyšší míru přesnosti a úplnější sadu ochranných funkcí ve srovnání s konvenčními pojistkami a pojistkami PPTC (PolySwitch). (Zdroj tabulky: společnost Toshiba)

Ve srovnání s konvenčními pojistkami, které jsou zařízeními na jedno použití, přispívají e-pojistky ke snížení nákladů na údržbu a zkracují časy oprav a zotavení. E-pojistky nabízejí dva typy zotavení z poruchových stavů: automatické zotavení provede obnovení normálního stavu, jakmile pomine poruchový stav, a ochrana s blokováním, která po odstranění příčiny poruchy provede obnovení v okamžiku přivedení externího signálu. E-pojistky jsou vybaveny také ochranou proti přepětí a tepelnou ochranou, které při použití konvenčních nebo PPTC pojistek nejsou k dispozici.

Výběr e-pojistky

Výběr vhodné e-pojistky začíná obvykle u napájecích sběrnic aplikace. Pro 5V až 12V napájecí sběrnice jsou dobrou volbou e-pojistky řady TCKE8xx. Jsou dimenzovány na vstupní napětí až 18 V a proud 5 A, mají certifikaci IEC 62368-1 a jsou dodávány v pouzdru WSON10B o rozměrech 3,0 mm x 3,0 mm a výšce 0,7 mm s roztečí 0,5 mm (obrázek 3) .

Obrázek 3: e-pojistky od společnosti Toshiba jsou umístěny v pouzdru WSON10B pro povrchovou montáž o rozměrech 3 × 3 mm a výšce 0,7 mm. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Řada TCKE8xx nabízí konstruktérům flexibilitu včetně nadroudového limitu nastavitelného pomocí externího rezistoru, regulace rychlosti přeběhu nastavitelné pomocí externího kondenzátoru, ochrany proti přepětí a podpětí, tepelné ochrany a řídicího pinu pro volitelný externí tranzistor FET s blokováním zpětného proudu.

Konstruktéři mají dále k dispozici výběr ze tří různých úrovní omezení přepětí - 6,04 V pro 5V systémy (např. model TCKE805NL, RF), 15,1 V pro 12V systémy (včetně modelu TCKE812NL, RF) a bez omezení (např. model TCKE800NL, RF) (obrázek 4). Přepěťová ochrana je v závislosti na modelu k dispozici s automatickým opakováním a omezováním, přičemž úrovně omezení jsou nastaveny s přesností 7 %. Blokování při podpětí je programovatelné pomocí externího rezistoru. Tepelná ochrana chrání IC proti přehřátí tak, že e-pojistka vypne, pokud teplota překročí 160 °C. Modely s tepelnou ochranou s automatickým zotavením provedou restart, pokud teplota klesne o 20 °C.

Obrázek 4: e-pojistky řady TCKE8xx jsou k dispozici s omezením napětí na 6,04 V pro 5V systémy (TCKE805), 15,1 V pro 12V (TCKE812) a bez omezení (TCKE800). (Zdroj obrázku: Toshiba)

Pro zajištění stabilního provozu nabízejí tyto e-pojistky konstruktérům možnost nastavení rychlosti náběhu proudu a napětí při zapnutí (obrázek 5). Při zapnutí napájení může do výstupního kondenzátoru vstupovat vysoký náběhový proud a e-pojistku vypnout, což vede k nestabilnímu provozu. Externí kondenzátor na pinu dV/dT e-pojistky nastavuje rychlost náběhu napětí a proudu při zapnutí, čímž zabraňuje nežádoucímu vypínání.

Obrázek 5: konstruktéři mohou nastavit rychlost náběhu napětí a proudu při zapnutí, aby byl zajištěn stabilní chod e-pojistky (Zdroj obrázku: Toshiba)

V závislosti na požadavcích aplikace mohou konstruktéři přidat externí N-kanálový výkonový tranzistor MOSFET na blokování zpětného proudu, transil (TVS) na ochranu proti vstupním přechodovým napětím a Schottkyho bariérovou diodu (SBD) jako ochranu proti záporným napětím ve špičkách na výstupu e-pojistky (obrázek 6). Blokování zpětného proudu může být praktické v aplikacích, jako jsou diskové jednotky vyměnitelné za chodu a nabíječky baterií. Externí tranzistor MOSFET je řízen pinem EFET.

Přidání transilu (TVS) je nutné v systémech, na jejichž napájecí sběrnici se vyskytují přechodová napětí překračující maximální jmenovitou zatížitelnost e-pojistky. V některých aplikacích se na výstupu e-pojistky mohou objevovat záporné napěťové špičky a volitelná dioda SBD pak chrání integrované obvody a další zařízení na straně zátěže, jakož i samotnou e-pojistku. Společnost Toshiba doporučuje jako externí tranzistor MOSFET používat model SSM6K513NU, LF, jako externí transil (TVS) model DF2S23P2CTC, L3F a jako diodu SBD model CUHS20S30, H3F.

Obrázek 6: typická aplikace s e-pojistkami řady TCKE8xx znázorňující volitelný transil (TVS) jako ochranu vstupního přechodového napětí, diodu SBD jako ochranu proti záporným napěťovým špičkám na výstupním pinu a externí tranzistor MOSFET na blokování zpětného proudu. (Zdroj obrázku: Toshiba)

e-pojistka s vestavěným tranzistorem MOSFET na blokování zpětného proudu

U aplikací vyžadujících nejmenší možné řešení a blokování zpětného proudu mohou konstruktéři využívat e-pojistku TCKE712BNL, RF se dvěma interními tranzistory MOSFET (obrázek 7). S druhým interním tranzistorem MOSFET není spojeno žádné snížení výkonu. Celkový odpor obou tranzistorů MOSFET v zapnutém stavu je pouze 53 mΩ, což je přibližně stejná hodnota, jako při použití externího blokovacího tranzistoru MOSFET.

Obrázek 7: e-pojistka TCKE712BNL, RF je osazena dvěma tranzistory MOSFET (nahoře uprostřed) umožňujícími blokování zpětného proudu bez potřeby externího tranzistoru MOSFET. (Zdroj obrázku: Toshiba)

Ve srovnání s provedeními s pevným napětím u řady TCKE8xx používá model TCKE712BNL, RF vstupní napětí v rozsahu 4,4 až 13,2 V Pro podporu tohoto rozsahu možných vstupních napětí je pojistka opatřena pinem ochrany proti přepětí (OVP), který konstruktérům umožňuje nastavit úroveň ochrany proti přepětí tak, aby vyhovovala konkrétním potřebám systému. Model TCKE712BNL je dále opatřen přídavným pinem FLAG, který poskytuje výstupní signál s otevřeným odtokem indikující poruchový stav.

Závěr

Zajištění ochrany obvodů a uživatelů v elektronických systémech má zásadní význam, zejména s nárůstem počtu elektronických zařízení a zvyšováním pravděpodobnosti jejich selhání. Konstruktéři musejí současně udržet náklady a velikost půdorysu na minimu a zároveň dosáhnout maximální flexibility ochrany a splnit příslušné ochranné normy.

Díky extrémně rychlému chodu, přesnosti, spolehlivosti a možnosti opětovného použití poskytují e-pojistky konstruktérům nejen vysoce výkonnou a flexibilní alternativu ke konvenčním pojistkám a pojistkám PPTC, ale přicházejí také s celou řadou vestavěných funkcí, které výrazně zjednodušují úlohu návrhu ochrany obvodů a uživatele.

Doporučeno k přečtení

1. Jak vybrat a používat technologie inteligentního snímání a monitorování proudu (namísto pojistek)
2. Jak navrhovat ochranné obvody vyhovující nové normě AV/ICT IEC 62368-1