Cómo utilizar los fusibles electrónicos para diseñar soluciones compactas de protección contra cortocircuitos, sobretensiones y temperaturas

Por Jeff Shepard

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

Con la omnipresencia de los dispositivos electrónicos en el hogar, la oficina y la industria, la necesidad de una protección de circuitos que sea compacta, de bajo costo, de alta velocidad, reseteable y ajustable es cada vez más importante para garantizar la seguridad del usuario y el máximo tiempo de funcionamiento del dispositivo. Los enfoques convencionales de los fusibles carecen de corrientes de ruptura imprecisas y de tiempos de respuesta lentos, y normalmente se ven entorpecidos por el inconveniente de tener que sustituir el fusible.

Aunque es posible diseñar una solución de protección adecuada desde cero, no es fácil conseguir los exigentes requisitos de latencia y precisión en un dispositivo reiniciable. Además, se espera que esa misma solución cuente con protección de sobrecorriente ajustable, velocidad de giro de corriente de entrada ajustable, bloqueo de sobretensión, bloqueo de corriente inversa y protección térmica. Un diseño de este tipo requiere numerosos componentes discretos y varios circuitos integrados que, en conjunto, ocupan una superficie considerable en la placa de circuito impreso, aumentan los costos y retrasan el tiempo de comercialización. La necesidad de altos niveles de fiabilidad y el requisito de cumplir las normas internacionales de seguridad, como la IEC/UL62368-1 y la UL2367, aumentan la dificultad.

Para responder a estos requisitos, los diseñadores pueden recurrir a los circuitos integrados de fusibles electrónicos (eFuse) para proporcionar una protección contra cortocircuitos de nanosegundos (ns), que es aproximadamente un millón de veces más rápida que los fusibles convencionales o los dispositivos PPTC.

Este artículo describe por qué es necesaria una protección de circuitos más rápida, resistente, compacta, fiable y rentable, antes de presentar los fusibles electrónicos y su funcionamiento. A continuación, presenta varias opciones de eFuse de Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation y muestra cómo satisfacen las necesidades de los diseñadores de una protección rentable, compacta y resistente.

Necesidades de protección del circuito

Las condiciones de sobrecorriente, los cortocircuitos, las sobrecargas y las sobretensiones son algunas de las necesidades básicas de protección de los circuitos de los sistemas electrónicos. Durante una condición de sobrecorriente, una corriente excesiva fluye a través de un conductor. Esto puede conducir a altos niveles de generación de calor y el riesgo de incendio o daños en el equipo. Las condiciones de sobreintensidad pueden ser causadas por cortocircuitos, cargas excesivas, fallos de diseño, fallos de componentes y fallos de arco o de tierra. Para proteger a los circuitos y a los usuarios de los dispositivos, la protección contra sobrecorrientes debe actuar instantáneamente.

Existen condiciones de sobrecarga cuando la corriente excesiva no es inmediatamente peligrosa, pero las consecuencias a largo plazo pueden ser tan inseguras como una condición de sobrecorriente alta. La protección contra la sobrecarga se implementa con varios retrasos de tiempo basados en el nivel de la sobrecarga. A medida que aumenta la condición de sobrecarga, el retardo disminuye. La protección contra la sobrecarga puede implementarse con fusibles de retardo o de acción lenta.

Las condiciones de sobretensión pueden dar lugar a un funcionamiento inestable del sistema y también a la generación de un calor excesivo y a un mayor potencial de incendio. Las sobretensiones también pueden suponer un peligro inmediato para los usuarios u operadores del sistema. Al igual que en el caso de la sobrecorriente, la protección contra la sobretensión debe actuar rápidamente para cortar la fuente.

Algunas aplicaciones se benefician de funciones de protección adicionales más allá de las básicas para garantizar un funcionamiento seguro y estable, incluyendo niveles ajustables de protección contra sobretensiones y sobrecorrientes, control de la corriente de arranque, protección térmica y bloqueo de la corriente inversa. Varios dispositivos de protección de circuitos pueden satisfacer diferentes combinaciones de estas necesidades de protección de circuitos.

Cómo funcionan los fusibles electrónicos

los CI eFuse ofrecen funciones de protección más amplias y niveles de control más altos en comparación con los fusibles convencionales y los dispositivos PPTC (Figura 1). Además de la protección contra cortocircuitos de alta velocidad, los eFuses proporcionan una sujeción precisa de la sobretensión, una protección ajustable de la sobrecorriente, una tensión ajustable y un control de la velocidad de giro de la corriente para minimizar las corrientes de entrada y el apagado térmico. Las versiones también incluyen el bloqueo de la corriente inversa.

El diagrama de eFuse puede sustituir a los fusibles convencionales o a los dispositivos PPTCFigura 1: Un eFuse puede sustituir a los fusibles convencionales o a los dispositivos PPTC y ofrecer funciones de protección adicionales y mayores niveles de control. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Una de las claves del rendimiento del eFuse es el MOSFET de potencia interno con una resistencia "ON" que suele estar en el rango de los miliohmios (mΩ) y que puede manejar altas corrientes de salida (Figura 2). Durante el funcionamiento normal, la bajísima resistencia de encendido del MOSFET de potencia garantiza que la tensión en VOUT sea casi idéntica a la tensión en VIN. Cuando se detecta un cortocircuito, el MOSFET se desconecta muy rápidamente, y cuando el sistema vuelve a la normalidad, el MOSFET se utiliza para controlar la corriente de entrada.

Diagrama del MOSFET de potencia de baja resistencia al encendidoFigura 2: Un MOSFET de potencia de baja resistencia a la conexión (arriba en el centro) es clave para proporcionar la acción rápida y la capacidad de arranque controlado de los eFuses. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Además del MOSFET de potencia, la naturaleza activa de los eFuses contribuye a sus numerosas ventajas de rendimiento (Tabla 1). Los fusibles convencionales y los PPTC son dispositivos pasivos con una baja precisión con respecto a la corriente de disparo. Dependen del calentamiento Joule que tarda en desarrollarse, lo que aumenta sus tiempos de reacción. Un eFuse, en cambio, controla constantemente la corriente y, cuando alcanza 1.6 veces el nivel de límite de corriente ajustable, se inicia la protección contra cortocircuitos. Una vez iniciada, la técnica de protección contra cortocircuitos de ultra alta velocidad de los eFuses reduce la corriente a casi cero en solo 150 a 320 ns, en comparación con los tiempos de reacción de 1 segundo o más de los fusibles y PPTC. Este rápido tiempo de reacción reduce las tensiones del sistema, lo que aumenta su robustez. Como un eFuse no se destruye con un cortocircuito, puede utilizarse varias veces.

La tabla de ICs de eFuse proporciona una mayor velocidad de protección, mayores niveles de precisión y un conjunto más completo de funciones de protección (haga clic para ampliar)Tabla 1: Los CI eFuse proporcionan una mayor velocidad de protección, mayores niveles de precisión y un conjunto más completo de funciones de protección en comparación con los fusibles y los dispositivos PPTC (poliinterruptores). (Fuente de la tabla: Toshiba)

En comparación con los fusibles convencionales, que son dispositivos de un solo uso, los eFuses contribuyen a reducir los costos de mantenimiento y el tiempo de recuperación y reparación. Los fusibles electrónicos disponen de dos tipos de recuperación de las condiciones de fallo: La recuperación automática que vuelve al funcionamiento normal una vez que se elimina la condición de fallo, y; La protección enclavada que se recupera cuando se aplica una señal externa después de eliminar el fallo. Los fusibles electrónicos también ofrecen protección térmica y de sobretensión, lo que no es posible con los fusibles convencionales o los PPTC.

Selección de fusibles electrónicos

La selección del eFuse adecuado suele empezar por los raíles de alimentación de la aplicación. Para carriles de alimentación de 5 a 12 voltios, los fusibles electrónicos de la serie TCKE8xx son una buena opción. Tienen una capacidad nominal de hasta 18 voltios de entrada y 5 amperios (A), cuentan con la certificación IEC 62368-1, cumplen los requisitos de la norma UL2367 y se presentan en un encapsulado WSON10B que mide 3.0 mm x 3.0 mm x 0.7 mm de alto, con un paso de 0.5 mm (Figura 5).

La imagen de los eFuses de Toshiba se presenta en un paquete de montaje superficial WSON10B de alta calidadFigura 3: Los eFuses de Toshiba están empaquetados en un paquete de montaje superficial WSON10B de 3 mm x 3 mm y 0.7 mm de altura. (Fuente de la imagen: Toshiba)

La serie TCKE8xx ofrece flexibilidad a los diseñadores, incluyendo un límite de sobrecorriente ajustable fijado por una resistencia externa, un control de velocidad de giro ajustable fijado por un condensador externo, protección contra sobretensión y subtensión, apagado térmico y un pin de control para un FET de bloqueo de corriente inversa externo opcional.

Los diseñadores también pueden elegir entre tres niveles diferentes de sujeción de sobretensión: 6.04 voltios para sistemas de 5 voltios (por ejemplo, el TCKE805NL,RF), 15.1 voltios para sistemas de 12 voltios (incluido el TCKE812NL,RF) y sin sujeción (como el TCKE800NL,RF) (Figura 4). La protección contra la sobretensión está disponible en forma de auto-reintento y de sujeción, según el modelo, y los niveles de sujeción se ajustan con una precisión del 7%. El bloqueo por baja tensión es programable mediante una resistencia externa. El apagado térmico protege el CI de una condición de sobretemperatura apagando el eFuse cuando su temperatura supera los 160 grados Celsius (°C). Los modelos con protección térmica de auto-recuperación se reinician cuando la temperatura baja 20 °C.

Gráfico de los fusibles electrónicos de la serie TCKE8xx de ToshibaFigura 4: Los fusibles electrónicos de la serie TCKE8xx están disponibles con tensiones de apriete de 6.04 voltios para sistemas de 5 voltios (TCKE805), 15.1 voltios para sistemas de 12 voltios (TCKE812) y sin apriete (TCKE800). (Fuente de la imagen: Toshiba)

Para garantizar un funcionamiento estable, estos fusibles electrónicos incluyen la opción de que los diseñadores establezcan la tasa de rampa de corriente y tensión en el momento del arranque (Figura 5). Cuando se enciende la alimentación, una gran corriente de entrada puede fluir en el condensador de salida y disparar el eFuse, dando lugar a un funcionamiento inestable. Un condensador externo en la clavija dV/dT del eFuse establece la tasa de rampa de arranque para la tensión y la corriente, evitando disparos molestos.

Diagrama de la tasa de rampa de arranque de la tensión y la corrienteFigura 5: Los diseñadores pueden establecer la tasa de rampa de arranque de la tensión y la corriente para garantizar un funcionamiento estable del eFuse. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Dependiendo de los requisitos de la aplicación, los diseñadores pueden añadir un MOSFET de potencia de canal N externo para el bloqueo de la corriente inversa, un diodo de supresión de tensión transitoria (TVS) para la protección de las tensiones transitorias de entrada y un diodo de barrera Schottky (SBD) para la protección de los picos de tensión negativa en la salida del eFuse (Figura 6). El bloqueo de la corriente inversa puede ser útil en aplicaciones como las unidades de disco de intercambio en caliente y los cargadores de baterías. El MOSFET externo es controlado por el pin EFET.

La adición de un diodo TVS es necesaria en los sistemas que experimentan tensiones transitorias en el bus de alimentación que superan la capacidad máxima del eFuse. En algunas aplicaciones, puede aparecer un pico de tensión negativa en la salida del eFuse, y el SBD opcional protege los circuitos integrados y otros dispositivos en el lado de la carga, así como el eFuse. Toshiba recomienda el SSM6K513NU,LF como MOSFET externo, el DF2S23P2CTC,L3F como diodo TVS y el CUHS20S30,H3F como SBD.

Diagrama de la aplicación típica de los fusibles electrónicos de la serie TCKE8xx de Toshiba (haga clic para ampliar)Figura 6: Aplicación típica de los fusibles electrónicos de la serie TCKE8xx que muestra el TVS opcional para la protección de la tensión transitoria de entrada, el SBD para la protección contra picos de tensión negativos en el pin de salida y un MOSFET externo para el bloqueo de la corriente inversa. (Fuente de la imagen: Toshiba)

eFuse con MOSFET de bloqueo de corriente inversa incorporado

Para las aplicaciones que necesitan la solución más pequeña posible y el bloqueo de la corriente inversa, los diseñadores pueden recurrir al eFuse TCKE712BNL,RF que incluye dos MOSFET internos (Figura 7). No hay ninguna penalización de rendimiento asociada al segundo MOSFET interno; las resistencias de encendido combinadas de ambos MOSFETs es de solo 53 mΩ, más o menos lo mismo que cuando se utiliza un MOSFET de bloqueo externo.

Diagrama del Toshiba TCKE712BNL,RF eFuse incluye dos MOSFETsFigura 7: El TCKE712BNL,RF eFuse incluye dos MOSFET (centro superior) para permitir el bloqueo de la corriente inversa sin necesidad de un MOSFET externo. (Fuente de la imagen: Toshiba)

En comparación con los diseños de tensión fija de la serie TCKE8xx, el TCKE712BNL,RF tiene un rango de tensión de entrada de 4.4 a 13.2 voltios. Para soportar este rango de posibles tensiones de entrada, cuenta con un pin de protección contra sobretensiones (OVP) que permite a los diseñadores ajustar el nivel de protección contra sobretensiones para adaptarse a las necesidades específicas del sistema. Además, el TCKE712BNL tiene un pin FLAG añadido que proporciona una salida de señal de drenaje abierto que indica la presencia de una condición de fallo.

Conclusión:

Garantizar la protección de los circuitos y de los usuarios en los sistemas electrónicos es fundamental, sobre todo a medida que proliferan los dispositivos y aumenta el potencial de fallos. Al mismo tiempo, los diseñadores deben mantener los costos y la huella al mínimo, logrando al mismo tiempo la máxima flexibilidad de protección y cumpliendo las normas de protección adecuadas.

Gracias a su funcionamiento ultrarrápido, su precisión, su fiabilidad y su capacidad de reutilización, los eFuses no solo ofrecen a los diseñadores una alternativa flexible y de alto rendimiento a los fusibles convencionales y a los dispositivos PPTC, sino que además incorporan una amplia gama de funciones que simplifican enormemente la tarea de diseño de circuitos y de protección del usuario.

Lectura recomendada

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Acerca de este autor

Jeff Shepard

Jeff ha estado escribiendo sobre electrónica de potencia, componentes electrónicos y otros temas de tecnología durante más de 30 años. Empezó a escribir sobre electrónica de potencia como editor senior en el EETimes. Posteriormente fundó Powertechniques, una revista de diseño de electrónica de potencia, y más tarde fundó Darnell Group, una empresa global de investigación y publicación de electrónica de potencia. Entre sus actividades, el Grupo Darnell publicó PowerPulse.net, que proporcionaba noticias diarias a la comunidad mundial de ingeniería en electrónica de potencia. Es el autor de un libro de texto sobre fuentes de alimentación conmutadas, titulado "Fuentes de alimentación", publicado por la división Reston de Prentice Hall.

Jeff también cofundó Jeta Power Systems, un fabricante de fuentes de alimentación conmutadas de alto voltaje, que fue adquirido por Computer Products. Jeff es también un inventor, ya que su nombre figura en 17 patentes de los Estados Unidos en los campos de la recolección de energía térmica y los metamateriales ópticos, y es una fuente de la industria y un frecuente orador sobre las tendencias mundiales en la electrónica de potencia. Tiene una maestría en Métodos cuantitativos y Matemáticas de la Universidad de California.

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