כיצד להשתמש בנתיכי eFuses לתכנון פתרונות הגנת קצר, הגנת מתח-יתר והגנה תרמית

עם התפשטותם של התקנים אלקטרוניים בבית, במשרד ובתעשייה, הצורך בהגנת מעגלים שהיא ניתנת-לכוונון, ניתנת-לאיפוס, קומפקטית, בעלות נמוכה ובמהירות גבוהה הופכת ליותר ויותר חשובה כדי להבטיח את בטיחות המשתמשים ואת הזמינות המקסימלית של ההתקנים. גישות של נתיכים קונבנציונליים סובלות מניתוקי זרם וזמני תגובה איטיים ולא-צפויים, ובדרך כלל הן מוכבדות באי-הנוחות של הצורך בהחלפת הנתיך.

אמנם אפשר לתכנן פתרון הגנה מתאים מאפס, אך לא קל להשיג את הדרישות התובעניות של שיהוי ודיוק בהתקן מתאפס. בנוסף, אותו פתרון צפוי כעת לכלול הגנת זרם-יתר מתכווננת, קצב שינוי (Slew Rate) מתכוונן של זרם ההתנעה, הידוק מתח-יתר, חסימת זרם-הפוך והגנה תרמית. תכן כזה דורש מספר רב של רכיבים נפרדים וכמה מעגלים-משולבים (IC‏) התופסים יחד שטח משמעותי בלוח המעגלים המודפסים, מגדילים את העלויות ומעכבים את זמן היציאה לשוק. מה שמגדיל את הקושי הוא הצורך ברמות אמינות גבוהות והדרישה לעמידה בתקני בטיחות בינלאומיים כגון IEC‏ UL62368-1 ו-UL2367‏.

כדי לתת מענה לדרישות אלה, המתכננים יכולים במקום זאת לפנות למעגלי IC של נתיכים אלקטרוניים (eFuse) על מנת לספק הגנת קצר של ננו-שניות (ns), המהירה פי מיליון בערך מאשר נתיכים רגילים או התקני PPTC.

מאמר זה מתאר מדוע דרושה הגנת מעגלים מהירה, חסונה, קומפקטית, אמינה וחסכונית יותר, לפני הצגת נתיכי eFuse‏ וכיצד הם פועלים. לאחר מכן הוא מציג מספר אפשרויות של נתיכי eFuse‏ של Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation ומראה כיצד הן תומכות בצורכי המתכננים להגנה יעילה, חסכונית, קומפקטית וחסונה.

צורכי הגנת מעגלים

תנאי זרם-יתר, קצר, עומס-יתר ומתח-יתר הם חלק מצורכי ההגנה הבסיסיים של מערכות אלקטרוניות. במצב של זרם-יתר, זורם זרם גבוה מדי דרך מוליך. זה יכול להוביל לרמות גבוהות של יצירת חום ולסיכון של שריפה או נזק לציוד. תנאי זרם-יתר יכולים להיגרם כתוצאה מקצר, עומס יתר, פגמים בתכן, תקלות ברכיבים ותקלות של קשת חשמלית או הארקה. כדי להגן על המעגלים ועל משתמשי ההתקנים, הגנת זרם-יתר צריכה לפעול מיידית.

תנאי עומס-יתר קיימים כאשר הזרם גבוה מדי אך עדיין אינו מסוכן מיידית, אך התוצאות לטווח ארוך עלולות להיות לא-בטיחותיות בדיוק כמו מצב של זרם-יתר גבוה. הגנת עומס-יתר ממומשת עם שיהויי זמן שונים המבוססים על רמת עומס-היתר. ככל שתנאי עומס-היתר גדלים, יש לקצר את השיהוי. הגנת עומס-יתר ניתנת למימוש עם נתיכים עם שיהוי-זמן או הפעלה-איטית.

תנאי מתח-יתר עלולים לגרום לפעולת מערכת לא יציבה ויכולים גם להוביל ליצירת חום רב מדי ולאפשרות של שריפה. מתח-יתר יכול להוות סכנה מיידית גם למשתמשי או למפעילי המערכת. כמו עם זרם-יתר, הגנת מתח-יתר צריכה לפעול במהירות כדי לנתק את המקור.

כמה מהיישומים נהנים מפונקציות הגנה נוספות מעבר לאלו הבסיסיות על מנת להבטיח פעולה בטוחה ויציבה, כולל רמות מתכווננות של הגנות מתח-יתר וזרם-יתר, בקרת זרם התנעה, הגנה תרמית וחסימת זרם הפוך. התקני הגנת מעגלים שונים יכולים לספק צירופים שונים של צורכי הגנה אלה.

כיצד פועלים נתיכי eFuse‏

מעגלים-משולבים (IC‏) של נתיכי eFuse‏ מעניקים פונקציות הגנה נרחבות יותר ורמות בקרה גבוהות יותר בהשוואה לנתיכים קונבנציונליים ולהתקני PPTC‏ (איור 1‏). בנוסף להגנת קצר במהירות גבוהה, נתיכי eFuse‏ מעניקים הידוק (Clamping‏) מתח-יתר מדויק, הגנת זרם-יתר מתכווננת, מתח מתכוונן ובקרת קצב שינוי (Slew Rate) הזרם כדי להקטין למינימום זרמי התנעה וכיבוי תרמי. ישנן גרסות הכוללות גם חסימה מובנית של זרם הפוך.

איור 1: נתיך eFuse יכול להחליף נתיכים קונבנציונליים או התקני PPTC ולהעניק פונקציות הגנה נוספות ורמות בקרה גבוהות יותר. (מקור התמונה: Toshiba)

המפתח לביצועי נתיכי eFuse‏ הוא MOSFET להספק פנימי עם התנגדות מצב-מופעל (ON) שהיא לרוב בתחום של מילי-אוהם (mΩ‏) והיכול לטפל בזרמי יציאה גבוהים (איור 2‏). במהלך פעולה רגילה, ההתנגדות הנמוכה ביותר של ה-MOSFET להספק מבטיחה שהמתח ב-VOUT יהיה כמעט זהה למתח ב-VIN. כאשר מתגלה קצר במעגל, ה-MOSFET נכבה במהירות רבה, וכאשר המערכת חוזרת לקדמותה, ה-MOSFET משמש לבקרת זרם ההתנעה.

איור 2‏: ה-MOSFET להספק עם התנגדות מצב-מופעל נמוכה (למעלה באמצע) הוא המפתח להענקת הפעולה המהירה ויכולות ההתנעה המבוקרת של נתיכי eFuse‏. (מקור התמונה: Toshiba)

בנוסף ל-MOSFET להספק, האופי האקטיבי של נתיכי eFuse‏ תורם ליתרונות הביצועים הרבים שלהם (טבלה 1‏). נתיכים קונבנציונליים והתקני PPTC הם התקנים פסיביים עם דיוק נמוך ביחס לזרם הניתוק. הם מסתמכים על חום Joule שלוקח לו זמן להתפתח, תוך הארכת זמני התגובה שלהם. מצד שני, נתיך eFuse עוקב כל הזמן אחר הזרם, וברגע שהוא מגיע לפי 1.6 מרמת גבול הזרם המתכווננת, הגנת זרם הקצר מופעלת. לאחר שהופעלה, טכניקת הגנת הקצר במהירות אולטרה-גבוהה של נתיכי eFuse‏ מפחיתה את הזרם לכמעט אפס בתוך ns‏ 150 עד ns‏ 320 בלבד, לעומת זמני תגובה של שנייה אחת או יותר של נתיכים ו- PPTC. זמן תגובה מהיר זה מפחית את המאמצים על המערכת ומשפר את חוסנה. מכיוון ש- eFuse אינו נהרס על ידי קצר, ניתן להשתמש בו פעמים רבות.

טבלה 1‏: המעגלים-המשולבים (IC‏) של נתיכי eFuse‏ מעניקים מהירות הגנה גבוהה יותר, רמות גבוהות יותר של דיוק ומערך שלם יותר של פונקציות הגנה בהשוואה לנתיכים ולהתקני PPTC‏ (מתגי פולי). (מקור הטבלה: Toshiba‏)

בהשוואה לנתיכים קונבנציונליים, שהם התקנים לשימוש חד-פעמי, נתיכי eFuses תורמים להפחתת עלויות התחזוקה ולקיצור זמני ההתאוששות והתיקון. קיימים שני סוגי התאוששות ממצבי תקלה עם נתיכי eFuse: התאוששות אוטומטית תחזיר לפעולה רגילה לאחר הסרת מצב התקלה; הגנה נעולה המתאוששת כאשר מופעל אות חיצוני לאחר סילוק התקלה. הגנה תרמית והגנת מתח-יתר מוענקות גם כן עם נתיכי eFuse‏, אך לעומת זאת הן אינן אפשריות עם נתיכים קונבנציונליים או התקני PPTC‏.

בחירת נתיכי eFuse‏

בחירת נתיך eFuse‏ המתאים מתחילה בדרך כלל עם פסי הספקת-הכוח של היישום. עבור פסי הספקת-כוח של 5 עד 12 וולט, נתיכי eFuse‏ סדרת TCKE8xx הם אפשרות טובה. הם מדורגים עבור כניסה של עד 18 וולט ו-5 אמפר (A), מורשים לתקן IEC 62368-1 ומגיעים במארז WSON10B שמידותיו 3.0 מ"מ x‏ 3.0 מ"מ x‏ 0.7 מ"מ גובה, עם פסיעה של 0.5 מ"מ (איור 3).

איור 3‏: נתיכי eFuse‏ של Toshiba‏ נתונים במארז הרכבה-משטחית WSON10B‏ גבוה בגודל של 3.0 מ"מ x‏ 3.0 מ"מ x‏ 0.7 מ"מ. (מקור התמונה: Toshiba)

סדרת TCKE8xx מציעה למתכננים גמישות, כולל גבול זרם-יתר מתכוונן המוגדר על ידי נגד חיצוני, בקרת קצב שינוי (Slew Rate) מתכווננת המוגדרת על ידי קבל חיצוני, הגנות מתח-יתר ותת-מתח, כיבוי תרמי ופין בקרה עבור רכיב FET‏ חוסם זרם הפוך חיצוני אופציונלי.

למתכננים יש גם בחירה בין שלוש רמות הידוק מתח שונות; 6.04 וולט למערכות 5 וולט (לדוגמה, ה- TCKE805NL, RF‏), 15.1 וולט למערכות 12 וולט (כוללה- TCKE812NL, RF‏), וללא הידוק (כגון ה- TCKE800NL, RF‏) (איור 4). הגנת מתח-יתר זמינה כניסיון-חוזר אוטומטי והידוק, בהתאם לדגם, ורמות ההידוק מוגדרות בדיוק של 7%. נעילת תת-מתח ניתנת-לתכנות באמצעות נגד חיצוני. כיבוי תרמי מגן על המעגל-המשולב (IC‏) מפני תנאי טמפרטורת-יתר על ידי כיבוי ה- eFuse כאשר הטמפרטורה שלו עולה על 160 מעלות צלזיוס (C‏°‏). דגמים עם הגנה תרמית עם התאוששות-אוטומטית מופעלים מחדש כאשר הטמפרטורה יורדת ב- C‏°‏20‏.

איור 4: נתיכי eFuses סדרת TCKE8xx זמינים עם מתחי הידוק של 6.04 וולט עבור מערכות 5 וולט (TCKE805‏), 15.1 וולט עבור מערכות 12 וולט (TCKE812) וללא הידוק (TCKE800). (מקור התמונה: Toshiba)

כדי להבטיח פעולה יציבה, נתיכי eFuses אלה כוללים את האפשרות למתכננים להגדיר את קצב עליית הזרם והמתח בעת האתחול (איור 5). כאשר הספקת-הכוח מופעלת, זרם ראשוני גדול יכול לזרום לתוך קבל היציאה ולהפעיל את ה-eFuse, וכתוצאה מכך לפעולה לא-יציבה. קבל חיצוני על פין dV/dT של ה-eFuse קובע את קצב עליית המתח והזרם, ומונע הפעלות מטרידות.

איור 5‏: המתכננים יכולים להגדיר את קצב עליית המתח והזרם באתחול כדי להבטיח פעולה יציבה של ה-eFuse‏. (מקור התמונה: Toshiba)

בהתאם לדרישות היישום, המתכננים יכולים להוסיף MOSFET ערוץ N חיצוני להספק עבור חסימת זרם הפוך, דיודת שיכוך מתחים טרנזיינטיים (TVS)להגנה מפני מתחים טרנזיינטים בכניסה, ודיודת מחסום Schottky‏ (SBD) להגנה מפני שיאי מתח על יציאת ה-eFuse (איור 6). חסימת זרם הפוך יכולה להיות שימושית ביישומים כגון כונני דיסקים קשיחים עם החלפה-חמה ומטעני סוללות. ה-MOSFET החיצוני מבוקר על ידי פין EFET.

יש צורך בתוספת דיודה TVS במערכות הנתונות למתחים טרנזיינטיים על אפיק הספקת-כוח החורגים מהדירוג המקסימלי של ה-eFuse. ביישומים מסוימים, עלייה של מתח שלילי יכולה להופיע ביציאת ה-eFuse, וה-SBD האופציונלי מגן על מעגלים-משולבים (IC‏) והתקנים אחרים בצד העומס, כמו גם על ה-eFuse. חברת Toshiba‏ ממליצה על ה-SSM6K513NU, LF כ-MOSFET חיצוני, על ה-DF2S23P2CTC, L3F כדיודת TVS, ועל ה-CUHS20S30, H3F כ-SBD.

איור 6‏: יישום טיפוסי עבור נתיכי eFuses סדרת TCKE8xx מראה דיודת TVS‏ אופציונלית עבור הגנת מתחים טרנזיינטים בכניסה, SBD‏ עבור הגנה מפני שיאי מתח שלילי בפין היציאה, ו-MOSFET‏ חיצוני עבור חסימת זרם הפוך. (מקור התמונה: Toshiba)

נתיך eFuse עם MOSFET חוסם זרם הפוך מובנה

עבור יישומים הזקוקים לפתרון הקטן ביותר האפשרי ולחסימת זרם הפוך, המתכננים יכולים להשתמש ב-eFuse‏ TCKE712BNL, RF הכולל שני רכיבי MOSFET פנימיים (איור 7). אין ירידה בביצועים הקשורה ל-MOSFET הפנימי השני; ההתנגדות המשולבת של שני רכיבי ה-MOSFET‏ היא mΩ‏ 53 בלבד, בערך כמו בשימוש עם MOSFET חוסם חיצוני.

איור 7‏: ה-eFuse‏ TCKE712BNL,RF כולל שני רכיבי MOSFET‏ (למעלה באמצע) כדי לאפשר חסימת זרם הפוך ללא צורך ב-MOSFET חיצוני. (מקור התמונה: Toshiba)

בהשוואה לתכני המתח הקבוע של סדרת TCKE8xx, ל-TCKE712BNL, RF יש תחום מתחי כניסה מ-4.4 עד 13.2 וולט. כדי לתמוך בתחום זה של מתחי כניסה אפשריים, יש לו פין הגנת מתח-יתר (OVP) המאפשר למתכננים להגדיר את רמת ההגנה מפני מתח-יתר כך שתתאים לצורכי מערכת ספציפיים. בנוסף, ל-TCKE712BNL יש פין FLAG נוסף המספק יציאת אות מרזב פתוח (OD) המציין את קיומו של מצב תקלה.

סיכום

הקפדה על ההגנה על המעגלים ועל המשתמשים במערכות אלקטרוניות היא קריטית, במיוחד כאשר ההתקנים מתרבים והסיכוי לתקלה גדל. יחד עם זאת, על המתכננים להקטין את העלויות ואת חתימת-השטח למינימום, תוך השגת גמישות הגנה מקסימלית ועמידה בתקני ההגנה המתאימים.

עם פעולה אולטרה-מהירה, דיוק, אמינות ושימוש-חוזר, נתיכי eFuse‏ לא רק מעניקים למתכננים חלופה גמישה עם ביצועים עיליים לנתיכים קונבנציונליים ולהתקני PPTC‏, אלא הם גם מגיעים עם מגוון רחב של מאפיינים מובנים המפשטים ביותר את המשימה של הגנת המעגלים והמשתמשים.

קריאה מומלצת

1. כיצד לבחור וליישם חישת זרם חכמה וטכנולוגיות ניטור (במקום נתיכים)
2. כיצד לתכנן מעגלי הגנה תואמים לתקן AV/ICT‏ החדש IEC 62368-1