Como usar fusíveis eletrônicos para projetar soluções compactas de proteção térmica, contra curto-circuito e sobretensão

Com a onipresença dos dispositivos eletrônicos em casa, escritório e indústria, a necessidade de uma proteção de circuitos compacta, de baixo custo, alta velocidade, rearmável e ajustável é cada vez mais importante para garantir a segurança do usuário e o máximo tempo de funcionamento do dispositivo. As abordagens convencionais para os fusíveis sofrem com correntes de ruptura imprecisas e tempos de resposta lentos e normalmente são sobrecarregadas com o inconveniente de ter que substituir o fusível.

Embora seja possível projetar uma solução de proteção adequada a partir do zero, não é fácil alcançar os exigentes requisitos de latência e precisão em um dispositivo rearmável. Além disso, espera-se agora que essa mesma solução também apresente proteção ajustável contra sobrecorrente, taxa de inclinação da corrente de partida, grampeamento de sobretensão, bloqueio de corrente reversa e proteção térmica. Tal projeto requer numerosos componentes discretos e vários circuitos integrados que juntos ocupam uma área significativa na placa de circuito impresso, aumentam os custos e atrasam o tempo de colocação no mercado. Para aumentar a dificuldade, há a necessidade de altos níveis de confiabilidade e a exigência de atender às normas internacionais de segurança, como IEC/UL62368-1 e UL2367.

Para atender a essas exigências, os projetistas podem, em vez disso, recorrer aos CIs de fusíveis eletrônicos (eFuse) para proporcionar proteção contra curto-circuito de nanossegundos (ns), que é cerca de um milhão de vezes mais rápido do que os fusíveis convencionais ou dispositivos PPTC.

Este artigo descreve porque é necessária uma proteção mais rápida, mais robusta, compacta, confiável e mais econômica dos circuitos, antes de introduzir os eFuses e como eles funcionam. Em seguida, apresenta várias opções de eFuse da Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation e mostra como eles dão suporte as necessidades dos projetistas para uma proteção econômica, compacta e robusta.

Necessidades de proteção de circuitos

Condições de sobrecorrente, curto-circuitos, sobrecargas e sobretensões são algumas das necessidades básicas de proteção de circuitos dos sistemas eletrônicos. Durante uma condição de sobrecorrente, uma corrente excessiva flui através de um condutor. Isto pode levar a altos níveis de geração de calor e ao risco de incêndio ou danos ao equipamento. As condições de sobrecorrente podem ser causadas por curto-circuitos, cargas excessivas, falhas de projeto, falhas de componentes e falhas de arco ou de terra. Para proteger circuitos e usuários de dispositivos, a proteção contra sobrecorrente precisa operar instantaneamente.

As condições de sobrecarga existem quando a corrente excessiva não é imediatamente perigosa, mas as consequências a longo prazo podem ser tão inseguras quanto uma condição de alta sobrecorrente. A proteção contra sobrecarga é implementada com vários atrasos com base no nível da sobrecarga. A medida que a condição de sobrecarga aumenta, o atraso diminui. A proteção contra sobrecarga pode ser implementada com fusíveis com retardo de tempo ou de queima lenta.

As condições de sobretensão podem resultar na operação instável do sistema e também podem levar à geração de calor excessivo e ao aumento do potencial de incêndio. As sobretensões também podem apresentar perigo imediato para os usuários ou operadores do sistema. Como no caso de sobrecorrente, a proteção contra sobretensão precisa operar rapidamente para cortar a fonte.

Algumas aplicações se beneficiam de funções de proteção adicionais além das básicas para garantir uma operação segura e estável, incluindo níveis ajustáveis de proteção contra sobretensão e sobrecorrente, controle da corrente de partida, proteção térmica e bloqueio de corrente reversa. Vários dispositivos de proteção de circuitos podem satisfazer diferentes combinações destas necessidades de proteção de circuitos.

Como funcionam os eFuses

Os CIs eFuse oferecem funções de proteção mais amplas e níveis mais altos de controle em comparação com os fusíveis convencionais e dispositivos PPTC (Figura 1). Além da proteção contra curto-circuito de alta velocidade, os eFuses fornecem grampeamento preciso de sobretensão, proteção ajustável de sobrecorrente, tensão ajustável e controle da taxa de inclinação de corrente para minimizar as correntes de partida e desligamento térmico. As versões também incluem a incorporação do bloqueio da corrente reversa.

Figura 1: Um eFuse pode substituir os fusíveis convencionais ou dispositivos PPTC e fornecer funções de proteção adicionais e níveis de controle mais altos. (Fonte da imagem: Toshiba)

Um dos segredos para o desempenho do eFuse é o MOSFET interno de potência com uma resistência "ON" que normalmente está na faixa de miliohm (mΩ) e que pode lidar com altas correntes de saída (Figura 2). Durante o funcionamento normal, a resistência ON muito baixa do MOSFET de potência garante que a tensão no VOUT seja quase idêntica à tensão no VIN. Quando um curto-circuito é detectado, o MOSFET desliga muito rapidamente, e quando o sistema volta ao normal, o MOSFET é usado para controlar a corrente de partida.

Figura 2: Um MOSFET (centro acima) de baixa resistência ON é o segredo para proporcionar a ação rápida e a capacidade de partida controlada dos eFuses. (Fonte da imagem: Toshiba)

Além da potência MOSFET, a natureza ativa dos eFuses contribui para suas numerosas vantagens de desempenho (Tabela 1). Os fusíveis convencionais e PPTCs são dispositivos passivos com uma baixa precisão com relação à corrente de disparo. Eles dependem do aquecimento Joule que leva tempo para se desenvolver, aumentando seu tempo de reação. Um eFuse, por outro lado, está constantemente monitorando a corrente, e uma vez atingido 1,6 vezes o nível limite de corrente ajustável, a proteção contra curto-circuito é iniciada. Uma vez iniciada, a técnica de proteção contra curto-circuito de ultra-alta velocidade em eFuses reduz a corrente a quase zero em apenas 150 a 320 ns, em comparação com os tempos de reação de 1 segundo ou mais longos dos fusíveis e PPTCs. Este rápido tempo de reação reduz o estresse do sistema, aumentando a robustez. Como um eFuse não é destruído por um curto-circuito, ele pode ser usado várias vezes.

Tabela 1: Os CIs eFuse proporcionam uma velocidade de proteção mais rápida, níveis mais altos de precisão e um conjunto mais completo de funções de proteção em comparação com os fusíveis e os dispositivos PPTC (chave polimérica). (Fonte da tabela: Toshiba)

Em comparação com os fusíveis convencionais, que são dispositivos de uso único, os eFuses contribuem para a redução dos custos de manutenção e menos tempo de recuperação e reparo. Dois tipos de recuperação das condições de falha estão disponíveis com eFuses: a recuperação automática retornará à operação normal uma vez que a condição de falha seja excluída, e; proteção com bloqueio que se recupera quando um sinal externo é aplicado depois que a falha é eliminada. A proteção térmica e contra sobretensão também são fornecidas com eFuses, mas não são possíveis usando fusíveis convencionais ou PPTCs.

Seleção de eFuses

A seleção do eFuse apropriado normalmente começa com as trilhas de alimentação da aplicação. Para trilhas de alimentação de 5 a 12 volts, os eFuses da série TCKE8xx são uma boa opção. Eles são dimensionados para até 18 volts de entrada e 5 ampères (A), têm certificação IEC 62368-1, vêm em um invólucro WSON10B que mede 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 mm de altura, com um passo de 0,5 mm (Figura 3).

Figura 3: Os eFuses Toshiba são encapsulados em um invólucro WSON10B de 3 mm x 3 mm, 0,7 mm de altura para montagem em superfície. (Fonte da imagem: Toshiba)

A série TCKE8xx oferece flexibilidade aos projetistas, incluindo um limite ajustável de sobrecorrente definido por um resistor externo, um controle ajustável da taxa de inclinação definido por um capacitor externo, proteção contra sobretensão e subtensão, desligamento térmico e um pino de controle para um FET externo opcional de bloqueio da corrente reversa.

Os projetistas também podem escolher três níveis diferentes de grampeamento por sobretensão; 6,04 volts para sistemas de 5 volts (por exemplo, o TCKE805NL,RF), 15,1 volts para sistemas de 12 volts (incluindo o TCKE812NL,RF) e sem grampeamento (como o TCKE800NL,RF) (Figura 4). A proteção contra sobretensão está disponível como repetição automática e grampeamento, dependendo do modelo, e os níveis de grampeamento são definidos com uma precisão de 7%. O bloqueio de subtensão é programável através de um resistor externo. O desligamento térmico protege o CI de uma condição de temperatura excessiva, desligando o eFuse quando sua temperatura excede 160 graus Celsius (°C). Modelos com proteção térmica de auto-recuperação reiniciam quando a temperatura cai em 20°C.

Figura 4: Os eFuses da série TCKE8xx estão disponíveis com tensões de grampeamento de 6,04 volts para sistemas de 5 volts (TCKE805), 15,1 volts para sistemas de 12 volts (TCKE812), e sem grampeamento (TCKE800). (Fonte da imagem: Toshiba)

Para garantir uma operação estável, estes eFuses incluem a opção para que os projetistas definam a taxa da rampa de corrente e tensão na partida do circuito (Figura 5). Quando a energia é ligada, uma grande corrente de partida pode fluir para o capacitor de saída e disparar o eFuse, resultando em uma operação instável. Um capacitor externo no pino dV/dT do eFuse define a taxa da rampa de partida para a tensão e corrente, evitando disparos incômodos.

Figura 5: Os projetistas podem definir a taxa da rampa de partida da tensão e corrente para garantir o funcionamento estável do eFuse. (Fonte da imagem: Toshiba)

Dependendo dos requisitos da aplicação, os projetistas podem adicionar um MOSFET externo de potência de canal N para bloqueio de corrente reversa, um diodo de supressão de tensão transiente (TVS) para proteção contra tensões transitórias de entrada e um diodo de barreira Schottky (SBD) para proteção contra picos de tensão negativos na saída do eFuse (Figura 6). O bloqueio de corrente reversa pode ser útil em aplicações como unidades de disco hot-swap e carregadores de bateria. O MOSFET externo é controlado pelo pino EFET.

A adição de um diodo TVS é necessária em sistemas que experimentam tensões transitórias no barramento de alimentação que excedem o dimensionamento máximo do eFuse. Em algumas aplicações, um pico de tensão negativo pode aparecer na saída do eFuse, e o SBD opcional protege os CIs e outros dispositivos no lado da carga, assim como o eFuse. A Toshiba recomenda o SSM6K513NU,LF como o MOSFET externo, o DF2S23P2CTC,L3F como o diodo TVS e o CUHS20S30,H3F como o SBD.

Figura 6: Aplicação típica para eFuses da série TCKE8xx mostrando o TVS opcional para proteção contra tensão transiente de entrada, o SBD para proteção contra picos de tensão negativos no pino de saída, e um MOSFET externo para bloqueio de corrente reversa. (Fonte da imagem: Toshiba)

eFuse com MOSFET incorporado de bloqueio da corrente reversa

Para aplicações que necessitam da menor solução possível e bloqueio de corrente reversa, os projetistas podem recorrer ao eFuse TCKE712BNL,RF que inclui dois MOSFETs internos (Figura 7). Não há penalidade de desempenho associada ao segundo MOSFET interno; a combinação das resistências ON de ambos os MOSFETs é de apenas 53 mΩ, mais ou menos o mesmo que se usa num MOSFET de bloqueio externo.

Figura 7: O eFuse TCKE712BNL,RF inclui dois MOSFETs (centro acima) para permitir o bloqueio da corrente reversa sem a necessidade de um MOSFET externo. (Fonte da imagem: Toshiba)

Em comparação com os projetos de tensão fixa da série TCKE8xx, o TCKE712BNL,RF tem uma faixa de tensão de entrada de 4,4 a 13,2 volts. Para dar suporte a esta gama de tensões possíveis de entrada, ele possui um pino de proteção contra sobretensão (OVP) que permite aos projetistas definir o nível de proteção contra sobretensão para acomodar as necessidades específicas do sistema. Além disso, o TCKE712BNL tem um pino FLAG adicionado que fornece uma saída de sinal de dreno aberto indicando a presença de uma condição de falha.

Conclusão

Garantir a proteção dos circuitos e dos usuários nos sistemas eletrônicos é fundamental, particularmente à medida que os dispositivos proliferam e o potencial de falha aumenta. Ao mesmo tempo, os projetistas devem manter os custos e a pegada ao mínimo, enquanto alcançam a máxima flexibilidade de proteção e atendem às normas de proteção apropriadas.

Com operação ultra-rápida, precisão, confiabilidade e reusabilidade, os eFuses não só oferecem aos projetistas uma alternativa de alto desempenho e flexível aos fusíveis convencionais e dispositivos PPTC, mas também vêm com uma ampla gama de recursos integrados que simplificam muito a tarefa de projeto de proteção de circuitos e usuários.

Leitura recomendada

1. Como selecionar e aplicar tecnologias inteligentes de sensoriamento e monitoramento de corrente (ao invés de fusíveis)
2. Como projetar circuitos de proteção em conformidade com a nova norma AV/ICT IEC 62368-1