Traditionellt skyddas elektronik av smältsäkringar eller PPTC-motstånd. Betydligt snabbare är den intelligenta säkring som här beskrivs av Turadj Aliabadi. Han är Senior Marketing Manager for Discrete Semiconductor, Toshiba Electronics Europe

Några av historiens stora forskare är oupplösligt kopplade till vårt tekniska arbete på laboratoriebänken. George Ohm, en tysk fysiker, hålls i gott minne när vi hanterar motstånd. Likaså den engelska forskaren Michael Faraday när vi väljer våra kondensatorer och den amerikanska vetenskapsmannen Joseph Henry vid dimensionering av induktanser. Medan 1800-talet log vänligt mot dessa tre viktiga elektriska komponenter, verkar det som om intresset försvann när någon kom sig för att kvantifiera egenskaperna hos den ödmjuka säkringen.

Om man vill föreslå någon att hedra med utvecklingen av den enkla säkringen, vars namn härstammar från det latinska fusus1 (smält), borde det antagligen vara Arthur C. Cockburn. Även om en del av hans experimentella noggrannhet hånades av Londons nybildade Society of Telegraph Engineers under deras möte 1888, visar det sig dock att han gjorde en del ansträngningar för att vetenskapligt bestämma de faktorer som krävs för att skapa en pålitlig säkring. Hans arbete kom fram till att de skulle lösa ut vid cirka 150 till 200 procent av den nominella strömmen i kretsen som skulle skyddas. För telegrafarbetare som behövde skyddas mot blixtar och elektrisk belysning i dess barndom blev säkringen en kritisk säkerhetskomponent för en spirande industri.

Säkringar – vad de kan och vad de saknar
Säkringar är offeranordningar baserade på en smal tråd som är utformad för att smälta och därmed stoppa strömflödet om alltför mycket ström flyter in i applikationen som skall skyddas. De flesta elektrotekniker vars karriär har sträckt sig över mer än ett decennium har säkringar att tacka för något av denna livslängd. Säkringar, till skillnad från deras endimensionerade medkomponenter, dimensioneras med två enheter: ström och tid. Strömgränsen definierar som den övre gränsen för tillåten ström innan säkringen offrar sig själv. Tidselementet tillåter att naturligt förekommande strömspikar över den angivna strömgränsen kan förekomma, vilket ofta inträffar när en produkt slås på.

Det är offerdelen som är det största problemet med säkringar, vilket innebär att när en säkring utlöser måste någon, till exempel en underhållsteknik, kontrollera orsaken till att säkringen utlöser och sedan byta ut den om det är säkert. Detta är tidskrävande, orsakar förseningar och är ibland utmanande och kostsamt beroende på hur säkringen är integrerad och utrustningens tillgänglighet.

Ofta uppstår en överströmssituation på grund av användarfel, till exempel en kortslutning när du sätter in en felaktig USB-enhet i en PC eller bärbar dator. I stället för att använda en offeranordning använder kraftförsörjningen för sådana enheter ofta en återställbar PPTC-säkring (polymeric positive temperature coefficient). Detta är en typ av motstånd med normalt lågt motstånd men dess motstånd stiger snabbt tack vare uppvärmning under ett alltför stort strömflöde vid ett fel vilket väsentligen begränsar strömflödet. När felet har tagits bort kyls enheten ner och återgår nära det ursprungliga låga motståndet. I dagens värld av normalt säkra elektriska produkter ger PPTCer bra skydd emedan de inte kräver en servicetekniker för att få dem att fungera igen efter den mest troliga orsaken till felet, användarfel.

Det bör noteras att ingen av enheterna är särskilt snabb med att utföra sin skyddsfunktion. Säkringar kräver vanligtvis en sekund att lösa ut, medan PPTCer svarar snabbare men kan ta sekunder att uppnå sin fulla strömbegränsning. Medan säkringar kopplar bort apparater från ström, tillåter PPTCer fortfarande att en liten ström flyter även när den har lösts ut. Båda anordningarna är också beroende av den omgivande driftstemperaturen, så en reducering vid högre driftstemperaturer måste tas med i konstruktionen.

Den intelligenta säkringen
Halvledarteknologi har använts för att förbättra eller ersätta en mängd olika komponenter under de senaste decennierna och senast har eFuse-säkringar fortsatt den trenden genom att ersätta vanliga säkringar och PPTCer. Datormoderkort, speciellt PCB-ledningar till SATA-hårddiskar eller USB-portar, drar nytta av det förbättrade skyddet som eFuse ger och möjligheten att med ett enkelt logiskt gränssnitt återställa dem när felet har tagits bort.

eFuse använder sig av avancerade kiselprocesser som implementerar MOSFET-switchar med låg resistans, vilket ger låg förlust när ström flyter. Integrerade analoga komparatorer kan noggrant övervaka strömflödet och reagera inom mikrosekunder för att helt avbryta matningen. I samband med en värdprocessor kan ett beslut fattas om orsaken till felet och när det går att återställa strömmen via eFuse-gränssnitt.

Eftersom de är kiselprodukter erbjuder de naturligtvis en rad andra användbara funktioner. Övertemperaturövervakning, överspänningsbegränsning, underspänningsspärr och backströmsskydd är bara några av de värdefulla extra funktioner dessa nya enheter ger.

Integrering av eFuse-teknik
Naturligtvis kan alla applikationer som tillhandahåller ström till användarmonterade tilläggsmoduler, oscilloskopprober eller programmerbara logikstyrenheter (PLC), dra nytta av eFuse-tekniken. Lösningar som TCKE8xxx-serien från Toshiba kan enkelt integreras tack vare deras kompakta WSON10B-förpackning (3,0×3,0×0,7 mm. Se vinjettbilden). Enheterna har en kortslutningsutlösningsström på 5,0 A med en noggrannhet av ± 11 procent, och hanterar antingen ett automatiskt försök igen eller låsning beroende på vilken enhet som valts. Tack vare den integrerade snabba komparatorn tar enheterna bort ström under felförhållanden inom 150 ns. Serien är också certifierad enligt IEC 62368, vilket väsentligt underlättar vägen för dem som vill anpassa sig till ett-felslägen.

Fig 1. Exempel på applikationskrets för en eFuse-skyddslösning.

Ledningsmotståndet (R_ON) i den integrerade omkopplaren är endast 28 mohm, medan stighastigheten, som reglerar inrusningsströmmen, och underspänningsspärren kan ställas in med externa komponenter. Intern temperaturövervakning ger också skydd och när 160° C har uppnåtts stängs utgången automatiskt av. Beroende på vilken eFuse som väljs, kan detta skydd låsas, vilket kräver en återställning via EN-aktiveringsstiftet eller så kommer omkopplaren att återanställa strömmen när den har svalnat till cirka 20° C. Överspänningsspänningen bestäms av vilken enhet som väljs.

Fig 2. Skydd av ett USB-laddningsuttag med användning av en TCKE805NL eFuse.

En eFuse är en perfekt, kompakt lösning för USB-laddare och batteripaket och skyddar laddningsuttaget (fig 2). TCKE805NL är en optimal lösning som erbjuder låst skydd tillsammans med en överspänningsbegränsning som är fast vid 6,04 V. Ett 75 kohms motstånd, anslutet till ILIM, tjänar till att begränsa strömmen till 1,5 A, medan en kondensator på 2 nF ger en starttid på 4 ms. Ingångs- och utgångskondensatorer på 1,0 µF placerade nära V_IN– och V_OUT-stiften minskar spänningsöver/underskottet under plötsliga förändringar i strömmatningen. Vid behov kan en N-kanals FET också integreras för att skydda mot backströmmar.

Pålitligare skydd
Det verkar på något sätt synd att den ödmjuka säkringen aldrig har uppnått samma status som sina medelektriska komponenter trots att de har studerats vetenskapligt under samma tidsperiod. Med all säkerhet har säkringar och PPTCer varit en viktig del av våra säkerhetsverktyg under många år.

Emellertid behövs oftast skydd idag mot människoinducerade fel snarare än fullständiga systemfel. Konfigurerbara eFuse-säkringar ger applikationer ett pålitligt och återställbart skydd, vilket hjälper till att förlänga applikationernas livslängd och minskar behovet av support från en tekniker i många fall.

Turadj Aliabadi, senior marketing manager for discrete semiconductor, Toshiba Electronics Europe

Referenser:
[1]https://en.wikipedia.org/wiki/Fuse_(electrical).
[2]Electric Fuses, 3rd Edition, A. Wright and P. G. Newbury

Filed under: Stromforsorjning, Utländsk Teknik