Новости при решенията и компонентите за защита на електроника - част I

• Електронните предпазители (eFuse ИС) са бързодействащи прибори с време за реакция при прекъсване от порядъка на микросекунди, като някои са проектирани да осигуряват дори наносекундна реакция
  
  
• Има съвременни електронни предпазители, които могат да осигурят дефинирана скорост на нарастване на енергията при включване, като контролират on/off прехода на FET

Димитър Колев

В развитие на темата, винаги актуална и широко застъпена на страниците на сп. Инженеринг ревю, тук ще разгледаме някои нови компоненти за активна и пасивна защита на електронни модули и апаратура.

Термопредпазителите за еднократна употреба (бушони, fuse) са основно средство за постигане на безопасна работа и предпазване на скъпа електронна и електрическа апаратура от дефектиране и разрушаване като следствие от протичане на по-висок от номинално зададения ток. Тези пасивни елементи работят и продължават да се използват успешно повече от 100 години. Те са ефективни, надеждни, лесни са за идентификация, употреба и подмяна (дори от хора с минимални технически познания) и са евтини. Изключение правят компонентите за високи напрежения и токове, които са скъпи, обемисти и се сменят само от обучени професионалисти.

Предпазителите се предлагат за различни стойности на тока и напрежението, както и в различни физически размери и форми, и с различни варианти за свързване. Това се определя в зависимост от приложението и съответните стандарти за безопасност, наложени в различни отрасли – автомобилни, индустриални или за масова употреба, както и според особеностите на някои държавни регулации. Освен изброените предимства, пасивните предпазители имат и своите недостатъци – не са достатъчно бързи в определени случаи, не могат да се рестартират, изискват високи или двойни стойности на номиналния ток, за да могат да стопят/прекъснат предпазния елемент. За тази цел се разработват, симулират и произвеждат активни електронни защити, които преди 10-20 години обикновено са били отделни електронни блокове и предназначени предимно за лабораторни/тестови захранвания или скъпо оборудване.

Днес производителите на полупроводникови компоненти могат да предложат много повече възможности, функции и бързина в прибори с корпус на интегрална схема (ИС), които носят комерсиалното название еFuse (e-Fuse). Те са добро решение, напълно заместващо или пък допълващо класическия термопредпазител, като многократно надхвърлят живота му и осигуряват нужната бързина на реакция. Добавени са и много полезни функции - следене на тока и напрежението в регулируеми граници, защита от обратно свързване и обратно захранване, термозащита, рестартиране след определен интервал, генериране на #RESET и т. н.
Въпреки че са ИС с висока степен на интеграция, eFuse, също като обикновените предпазители, се основават на закона на Ом. Те отчитат стойността на преминаващия ток чрез бързо и прецизно измерване на пада на напрежението върху точен и нискоомен шунтов резистор. Контролът върху веригата се осъществява чрез един или два (back to back) външни или вградени MOSFET транзистори.

Съществуват различни типове eFuse – със специфични характеристики, функции и възможности, както и възможни приложения.
За разлика от по-старите електронни блокове, реализирани с дискретни елементи или аналогови ИС, днешните еFuse обикновено представляват единична ИС с минимален брой външни компоненти (фиг. 1). В пасивния предпазител принципът на действие се осигурява от физикохимичните характеристики на материала, докато в активния (електронен) предпазител токът към товара преминава през вграден или външен шунт и МОSFET транзистор/и. Чрез измерване на пада на напрежение върху шунта се следи моментната стойност на преминаващия ток. Когато тя надвиши предварително зададена стойност, управляващата логика изключва MOSFET и бързо прекъсва електрическата верига. Единичният или двойката транзистори, които са свързани последователно между захранването и товара, трябва да имат много ниско съпротивление в отпушено (включено) състояние. В противен случай ще има големи топлинни загуби, коeто се отразява негативно на нормалната работа, може направи стартирането на устройството трудно или невъзможно, или да доведе до повреда на самите ключови транзистори, на защитаваното устройство или на захранването/батерията.
Нека разгледаме малко по-подробно някои от

специфичните характеристики
на eFuse ИС

• Скорост: eFuse са бързодействащи прибори с време за реакция при прекъсване от порядъка на микросекунди, като някои са проектирани да осигуряват дори наносекундна реакция. Това е важно за предпазването на модерните електронни устройства.
• Работа при нисък ток и напрежение: eFuse предпазителите не само могат да бъдат проектирани да работят при ниски токове (от порядъка на 100 mA), но работят добре и при ниски, едноцифрени напрежения. При тези нива термичните предпазители дори не могат да бъдат задействани.
• Възстановяемост: В зависимост от конкретния модел, електронните предпазители предлагат избор – приборът да остане изключен след активиране (наречен режим на заключващо се изключване) или да поднови нормалната си работа, ако причината за предното изключване все още съществува или не е била отстранена своевременно (режим на автоматично повторно стартиране след определен интервал от време). Това е добър или дори единствен вариант, когато подмяната на предпазителя би била трудна, скъпа или физически невъзможна.
• Защита от протичане на обратен ток: електронният предпазител може да осигури защита от обратен ток - нещо, което термичният не е в състояние да направи. Обратни токове могат да възникнат, когато напрежението на изхода на системата е по-високо, отколкото на входа й. Това може да се случи например с набор от резервни захранвания, свързани паралелно, както и при други специфични ситуации.
• Защита от пренапрежение или твърде ниско напрежение: с някои допълнителни схеми, eFuse може също да осигури защита от пренапрежение или индуктивни импулси, като изключва FET-а, когато входното напрежение надвиши зададената точка на изключване при пренапрежение, и остава в изключено състояние, докато напрежението не се върне обратно в зададените граници.
• Защита от обратна полярност на входа: eFuse предлага защита от обратна полярност, като бързо прекъсва веригата, ако източникът е свързан обратно. Освен това в отпушено състояние имаме по-малък спад и по-малки загуби в топлина, отколкото класическата диодна защита, която няма да функционира добре при големи работни токове. Пример за това е автомобилен акумулатор, който е свързан обратно за кратък момент поради случаен контакт с кабела.
• Плавно включване: някои усъвършенствани електронни предпазители могат също да осигурят дефинирана скорост на нарастване на енергията при включване, като контролират прехода включване/изключване на FET-а с пропускащ елемент, чрез външен контрол или чрез използване на фиксирани компоненти. Тази функция обикновено се използва в компютърни и други инсталации за промяна в конфигурацията без изключване на захранването – т. нар. hot plug.
  Поради изброените причини eFuse често е универсално решение за контрол на входните ток и напрежение. Все пак, както вече споменахме, електронните и класическите термопредпазители се използват най-често заедно. eFuse изпълнява най-добре ролята на локализирана, бързодействаща защита на ниво подсистема или печатна платка, докато допълнителният термопредпазител осигурява неотменима защита на глобално / системно ниво срещу големи и ”груби” повреди (катастрофи, вандализъм, пожар, взрив и т.н.) с възможни тежки последици за околните хора, животни, имущество, подсистеми и т.н.
  Това дава възможност на проектанта да подсигури комплексна защита, с всички възможности и бързина на eFuse плюс ясния и недвусмислен принцип на работа на термичния предпазител (ако, разбира се, той е изчислен и избран правилно). Естествено, както във всяка инженерна задача, се допускат някакви компромиси в зависимост от наличното приложение, място, финансиране и изискваната степен на безопасност.

Характерни съвременни активни защитни елементи

Ще започнем със системните защити за бързи серийни интерфейси, като HDMI 1.4b, HDMI 2.0, USB 3.0, MHL, LVDS, DisplayPort, PCI-Express, eSata, and V-by-One HS. Тези защити предпазват само от пренапрежения и не могат да бъдат класифицирани като комплексни eFuse, но все пак са активни елементи. TPDxE05U06 и USBLC6-2SC6 са базирани на ESD защитни диоди с нисък капацитет, които не влошават сигналните характеристики на линиите за данни. Всяка защита може да абсорбира ESD пренапрежения, специфицирани от международния стандарт IEC 61000-4-2.

Интегралната схема LTC4365 на Analog Devices е защита за различни приложения, при които входното захранващо напрежение може да бъде твърде високо, твърде ниско или дори негативно при разменена полярност (Фиг. 2). ИС управлява двойка външни N-канални MOSFET транзистори, като изходът им се следи с цел безопасна работа в съответния зададен обхват. Чипът може да издържи на пикови стойности в обхвата от -40 до +60 V и има стандартно работно напрежение от 2,5 до 34 V, като номиналната собствената консумация е само 125 микроампера. Двата компараторни входа позволяват задаване на границите за твърде високо (overvoltage - OV) или твърде ниско (undervoltage -UV) напрежение чрез използване на обикновен резистивен делител. Входът за изключване (shutdown) дава възможност за външно управление на MOSFET транзисторите, както и за поставяне на ИС в режим с много ниска консумация.

Изходът за грешка (fault) показва текущото състояние - индикация има, когато ИС е в режим на ниска консумация или когато входното напрежение е извън зададените граници. LTC4365 има 36 ms закъснение, което помага при директно включване на захранване и товар, като разполага и с допълнителен филтър за смущения, индуктирани от захранващата променливотокова мрежа с честота 50/60Hz. Вариантът LTC4365-1 има намалено закъснение от само 1 ms, което е важно за определени приложения. ИС може да се симулира директно в симулационния софтуер LT Spice, като параметрите се избират и оптимизират спрямо конкретното приложение.

Основните приложения обхващат портативни измервателни прибори, средства за индустриална автоматизация, както и автомобилна електроника, която обикновено е подложена на големи колебания и пикове в захранващото напрежение и трябва да отговаря на специални стандарти за защита и безопасност. Подобна защита за по-малки токове е интегралната схема MAX14626 (load switch).