מדוע וכיצד להשתמש ביעילות בנתיכים אלקטרוניים כדי להגן על מעגלים רגישים

נתיכים תרמיים שמשו בהצלחה כהתקני הגנת מעגלים למעלה מ-150 שנים. הם יעילים, אמינים, קלים לשימוש ובאים במגוון ערכים ווריאציות כדי לעמוד ביעדי תכנון שונים. אולם, הם בעלי חסרונות בלתי נמנעים עבור מתכננים המחפשים ניתוק זרם מהיר ביותר, יכולת איפוס-עצמי, כמו גם את היכולת לפעול בערכי זרם נמוכים יחסית. עבור מתכננים אלה, נתיכים אלקטרוניים - לעתים מצוינים כ-eFuse או e-Fuse - הם פתרון מצוין, לפעמים מחליפים אך בדרך כלל משלימים את הנתיך התרמי.

נתיכי eFuse‏ מבוססים על עיקרון פשוט של חישת זרם על ידי מדידת מתח על פני נגד ידוע, ולאחר מכן הפסקת זרימת הזרם דרך טרנזיסטור אפקט-שדה (FET‏) כאשר הזרם עולה מעל סף מתוכנן. ה-eFuse‏ מציע מאפיינים, גמישות ופונקציות שנתיך תרמי לא יכול לספק.

מאמר זה יתאר כיצד נתיכי eFuse‏ עובדים. אחר כך יחקור את המאפיינים, הפונקציונליות הנוספת ואת השימוש היעיל של נתיכי מעגל-אקטיבי אלה. לאורך הדרך, יוצגו פתרונות דוגמה מבית Texas Instruments,‏ Toshiba Electronic Devices and Storage ו-STMicroelectronics ויוסבר שימושם היעיל.

כיצד נתיכי eFuse‏ עובדים?

עיקרון העבודה של נתיך תרמי קונבנציונלי הוא פשוט, ידוע היטב ואמין: כאשר הזרם העובר דרך החוליה ברת-ההתכה עולה על הערך המתוכנן, האלמנט מתחמם מספיק כדי להינתך. זה שובר את מסלול הזרם והזרם מתאפס. נתיך תרמי יכול להגיב ולקטוע את מסלול הזרם תוך מספר מאות מילי-שניה עד מספר שניות, תלוי בדרוג וסוג הנתיך, כמו גם כמות זרם-היתר. כמובן, כמו עם כל הרכיבים האקטיביים והפסיביים, קיימות וריאציות עבודה רבות, יותר או פחות דומיננטיות, עבור התקן פסיבי לגמרי זה, שהוא בעיקרון פשוט.

לעומת זאת, נתיכים אלקטרוניים עובדים על עיקרון שונה לגמרי. הם מספקים חלק מאותה פונקציונליות אך גם מוסיפים פונקציות ומאפיינים שונים, חדשים. עיקרון ה-eFuse הבסיסי גם כן פשוט: הזרם לעומס עובר דרך FET ונגד חישה ומנוטר באמצעות המתח על פני נגד החישה. כאשר הזרם עולה מעל ערך מוגדר-מראש, לוגיקת הבקרה משביתה את ה-FET ומפסיקה את זרימת הזרם (איור 1). ה-FET‏, שנמצא בטור עם קו האספקה והעומס, חייב להיות בעל התנגדות מצב-מופעל נמוכה מאוד כך שאינו גורם למפל זרם-התנגדות (IR) גבוה מדי או להספק מבוזבז.

איור 1: בנתיך eFuse, כשזרם מאספקה לעומס עובר דרך נגד חישה, הוא מנוטר באמצעות המתח על פני אותו נגד; כשהמתח עולה מעל ערך מוגדר, לוגיקת הבקרה משביתה את ה-FET, חוסמת את זרימת הזרם לעומס. (מקור תמונה: Texas Instruments)

אולי נראה שה-eFuse‏ הוא פשוט גרסה אקטיבית, יותר מסובכת של הנתיך התרמי הפסיבי הקלאסי. בעוד הדבר נכון, ה-eFuse‏ גם מציע מספר תכונות ייחודיות:

מהירות: הם התקנים הפועלים במהירות עם זמני תגובת קטעון מסדר גודל של מיקרו-שניות, חלקם מתוכננים לספק תגובת ננו-שניה. זה חשוב עבור המעגלים של היום עם מעגלים-משולבים ורכיבים פסיביים רגישים יחסית.

עבודה בזרם-נמוך: לא רק שנתיכי ה-eFuse‏ יכולים להיות מתוכננים לעבוד בזרמים נמוכים (מסדר גודל של 100 מיליאמפר (mA‏) או פחות), אלא הם גם עובדים היטב במתחים נמוכים, בני ספרה אחת. ברמות אלו, לעיתים קרובות נתיכים תרמיים אינם יכולים להיות מסופקים עם זרם חימום-עצמי גבוה מספיק כדי לגרום להתכה של החוליה ברת-ההתכה שלהם.

ניתן לאיפוס: בהתאם לדגם הספציפי, ה-eFuse‏ מציע את הבחירה להישאר במצב נתק לאחר הפעלתו (נקרא מצב latch-off), או לחזור לפעילות נורמלית אם בעיית הזרם עברה (מצב auto-retry). הבחירה האחרונה שימושית במיוחד במצבי זרם התנעה (inrush-current) טרנזיינטי כאשר אין תקלה "אמיתית", כמו שקורה כאשר לוח מחובר לאפיק נתונים מוזן. היא גם שימושית במצבים בהם החלפת הנתיך יכולה להיות קשה או יקרה.

הגנת זרם הפוך: נתיך eFuse‏ יכול גם לספק הגנת זרם הפוך, דבר שנתיך תרמי אינו יכול. זרמים הפוכים יכולים לקרות כשהמתח ביציאת המערכת הוא גבוה יותר מהמתח בכניסה שלה. זה יכול לקרות, למשל, עם סט של ספקי-כוח יתירים במקביל.

הגנת מתח-יתר: נתיך ה-eFuse, ביחד עם מעגל נוסף, יכול גם לספק הגנת מתח-יתר מפני נחשולים או קפיצות השראותיות, על ידי השבתת ה-FET כשמתח הכניסה עולה על נקודת הניתוק של מתח-היתר שנקבע, והשארות במצב OFF כל עוד מצב מתח-היתר נמשך.

הגנת קוטביות הפוכה: ה-eFuse יכול גם לספק הגנת קוטביות הפוכה, על ידי ניתוק מהיר של זרימת הזרם במקרה והמקור מחובר הפוך. דוגמה לכך היא מצבר של מכונית המחובר הפוך לרגע קצר בשל מגע כבל מקרי.

העלאה/הורדה הדרגתית של קצב השינוי ביציאה (Slew Rate): מספר נתיכי eFuse מתקדמים יכולים גם לספק העלאה/הורדה הדרגתית מוגדרת מראש של קצב שינוי זרם ההדלקה/הכיבוי ביציאה על ידי בקרה על מעבר ההדלקה/הכיבוי של אלמנט המעבר FET, באמצעות בקרה חיצונית או על ידי שימוש ברכיבים קבועים.

בשל סיבות אלו, נתיכי eFuse‏ הם פתרון בקרה אטרקטיבי של זרימת-זרם. בעוד הם יכולים לשמש במקום נתיכים תרמיים במקרים מסוימים, בדרך כלל השניים מזווגים. בסידור כזה, ה-eFuse‏ משמש עבור הגנת תגובה-מהירה מקומית של תת-מעגל או לוח מעגל מודפס כגון במערכות החלפה-חמה (חיבור-חם), יישומי רכב, בקרים לוגיים ניתנים לתכנות (PLCs) וניהול טעינה/פריקה של סוללה; הנתיך התרמי המשלים מספק הגנה ברמת מערכת מפני תקלות גדולות, משמעותיות, כשנדרש כיבוי קשיח קבוע.

בדרך זו, המתכנן משיג את הטוב בשני העולמות, עם כל היכולות של נתיכי ה-eFuse‏ בנוסף לפעולה הברורה והחד-משמעית של הנתיך התרמי. זה מושג ללא פשרות או חסרונות טכניים. ישנם, כמובן, מספר פשרות כמו עם כל החלטת תכנון. במקרה זה זוהי תוספת גידול בנכסי דלא ניידי ומפרט חומרים (BOM) מעט גדול יותר.

בחירת eFuse‏: פונקציות ויישומים

כאשר בוחרים eFuse‏, יש לשקול מספר פרמטרים בסיסיים. השיקול העליון הוא, באופן לא מפתיע, רמת הזרם בה על הנתיך לפעול. זה בדרך כלל יכול להיות בתחום מ-1 אמפר (A‏) או פחות עד בערך ‎10 A, כמו גם, המתח המקסימלי בו הנתיך יכול לעמוד בין הדקיו. עבור נתיכי eFuse‏ מסוימים, רמת זרם זו היא קבועה, בעוד עבור אחרים היא ניתנת להגדרה על ידי המשתמש באמצעות נגד חיצוני. גורמי בחירה אחרים כוללים מהירות תגובה, זרם רוגע, גודל (חתימת-שטח), והמספר והסוג של רכיבי תמיכה חיצוניים דרושים, אם בכלל. נוסף לכך, מתכננים חייבים לשקול את כל המאפיינים והפונקציות הנוספים המוצעים על ידי דגמי ה-eFuse‏ השונים.

לדוגמה, בקרי PLC הם יישום בו נתיכי eFuse מועילים בתתי-מעגל שונים שעלולים להיות חשופים לחיבור לא נכון של חיישן I/O ואספקת-כוח. קיימים גם נחשולי זרם בזמן חיבור חוטים או לוחות מוחלפים החלפה חמה (Hot Swap). נתיך eFuse‏ כמו ה-Texas Instruments TPS26620 משמש לעיתים קרובות ביישומי 24 וולט אלה. באיור 2 הוא מוצג כשהוא מוגדר עבור מגבלה של ‎500 mA‏. הוא עובד מ-4.5 וולט עד 60 וולט בעד 80‎ mA‏, עם הגנות מגבל זרם‏ ניתן-לתכנות, מתח-יתר, תת-מתח, וקוטביות הפוכה. המעגל-המשולב יכול גם לבקר זרם התנעה (inrush current) ולספק הגנה איתנה מפני תנאי זרם-הפוך וחיווט שגוי בשדה עבור מודולים PLC I/O כמו גם ספקי-כוח חיישן.

איור 2: ה-‏Texas Instruments TPS26620 eFuse‏ מוצג מוגדר להיכנס לפעולה בזרם של 500‎ mA‏ ביישום PLC זה של 24 וולט DC. (מקור תמונה: Texas Instruments)

דיאגרמות התזמון באיור 3 עבור ה-TCKE805 של Toshiba, נתיך eFuse של 18 וולט, 5‎ A‏, מראות כיצד יצרן אחד מימש את מצב ה-auto-retry לעומת מצב latch-off. במצב auto-retry (נקבע על ידי פין המארז EN/UVLO), פונקציית הזרם-יתר מונעת נזק ל-eFuse‏ ולעומס שלו על ידי דיכוי צריכת הספק במקרה של‏‏ מצב תקלה.

איור 3: נתיך ה-Toshiba TCKE805 eFuse‏ 18 וולט, ‎5 A, משתמש ברצף מחזור בדוק-וחזור-לבדוק כדי להעריך אם בטוח לחדש את זרימת הזרם. (מקור תמונה: Toshiba)

אם זרם היציאה, שנקבע על ידי נגד חיצוני (R_LIM), עולה על ערך הזרם הגבולי (I_LIM) בשל שגיאת עומס או קצר, זרם היציאה ומתח היציאה קטנים, ובכך מגבילים את ההספק הנצרך על ידי המעגל-המשולב והעומס. כשזרם היציאה מגיע לערך הגבולי המוגדר-מראש ומתגלה זרם-יתר, זרם היציאה מהודק כך שלא זורם זרם גדול מ-I_LIM. במקרה ומצב זרם-היתר אינו נפתר בשלב זה, תנאי מהודק זה נשמר וטמפרטורת ה-eFuse ממשיכה לעלות.

כשטמפרטורת ה-eFuse מגיעה לטמפרטורת הפעולה של פונקציית הכיבוי התרמי, ה-eFuse MOSFET מושבת ונפסקת לחלוטין זרימת הזרם. פעולת ה-auto-retry מנסה לחדש את זרימת הזרם על ידי עצירת הזרם, שמנמיכה את הטמפרטורה ומשחררת את הכיבוי התרמי. אם הטמפרטורה עולה שוב, המחזור חוזר ועוצר את הפעולה עד שמצב זרם-היתר נפסק.

לעומת זאת, מצב latch-off מהדק את היציאה עד שה-eFuse מאופס דרך פין האפשור (EN/UVLO) של המעגל-המשולב (איור 4).

איור 4: במצב latch-off, בניגוד למצב auto-retry, נתיך ה-Toshiba eFuse‏ אינו מתאפס עד להוראה ישירה לעשות זאת באמצעות פין האפשור (Enable) של המעגל-המשולב. (מקור תמונה: Toshiba)

נתיכי eFuse‏ מסוימים ניתנים להגדרת תצורה כך שיתגברו על בעיות הקשורות לחישת זרם לאורך נגד, כמו נפילת ה-IR הנלווית שמפחיתה את מתח הפס של צד היציאה. לדוגמה, ה-STEF033AJR ‏3.3 וולט מבית STMicroelectronics‏ הוא בעל זרם מקסימלי נומינלי של ‎3.6 A והתנגדות מצב-הולכה מקסימלית נומינלית של 40 מילי-אוהם (mΩ) במארז DFN, ו-‎2.5 A ו-‎25 mΩ במארז flip-chip, בהתאמה. בחיבור הקונבנציונלי המוצג באיור 5, בערכי זרם גבוהים יותר, אפילו נפילת IR ‏מועטה של בערך 15 מילי-וולט (mV‏) בפס האספקה בשל ההתנגדות במצב-הולכה, יכולה להיות משמעותית ומדאיגה.

איור 5: בחיווט הקונבנציונלי של ה-STEF033AJR, הנגד הקובע את הערך המגביל, R-lim, ממוקם בין שני הדקים יעודיים. (מקור התמונה: STMicroelectronics)

שינוי של החיבור הקונבנציונלי על ידי מיקום הנגד בין חיבור הצד החיובי של המגביל (+I-lim) וחיבור מתח היציאה (V_OUT/Source), מממש סידור חישת-Kelvin‏ המפצה על נפילת ה-IR (איור 6).

איור 6: כדי להקטין את ההשפעות של נפילת IR חישת-זרם, הצד השלילי של הנגד המקביל מחובר ליציאת המתח (V_OUT/Source). (מקור תמונה: STMicroelectronics)

שים לב, למרות שנתיכי eFuse‏ הם מוליכים-למחצה ויכולים לעבוד במתחים נמוכים עד כדי ספרה-יחידה, הם אינם מוגבלים לאזור נמוך זה. לדוגמה, נתיכי eFuse במשפחת Texas Instruments TPS2662x מדורגים לעבודה מ-4.5 עד 57 וולט.

נתיך eFuse‏: להכין או לקנות?

באופן עקרוני, ניתן לבנות נתיך eFuse‏ בסיסי מרכיבים בדידים תוך שימוש בזוג טרנזיסטורי FET,‏ נגד ומשרן. נתיכי ה-eFuse המוקדמים ביותר נבנו כך, עם המשרן ששימש לשתי מטרות: סינון יציאת ה-DC‏ וגם מתפקד‏ כנגד-חישה תוך שימוש בהתנגדות ה-DC‏ של הליפופים שלו.

אולם, eFuse‏ משופר עם ביצועים עקביים יותר שלוקח בחשבון את המאפיינים של הרכיבים שלו, כמו גם שיקולי עבודה של העולם האמיתי, דורש יותר ממספר רכיבים בדידים. אפילו עם הרכיבים הנוספים, הוא יכול לספק פונקציונליות eFuse בסיסית בלבד ‏(איור 7).

איור 7: נתיך eFuse עם פונקציונליות בסיסית המשתמש ברכיבים בדידים חייב לצפות ולהתגבר על המגבלות האינהרנטיות. (מקור תמונה: Texas Instruments)

המציאות היא שצבר של רכיבים בדידים אקטיביים ופסיביים יהפוך מהר מאוד למסורבל, ייטה לשינויי ביצועים מיחידה ליחידה, ויהיו לו בעיות הנוגעות לטולרנס התחלתי, התישנות רכיבים וסחף שיגרם על ידי טמפרטורה. בקיצור, פתרון עשה-בעצמך (DIY) עשוי מרכיבים בדידים הוא בעל מגבלות רבות:

• מעגלים בדידים בדרך כלל משתמשים ‏ב-MOSFET תעלת-P כאלמנט מעבר הזרם, שהוא יקר יותר מ-MOSFET תעלת-N בהתחשב בהשגת אותו ערך התנגדות מצב-מופעל (R_DS(ON)).
• פתרונות בדידים הם לא יעילים כיוון שכוללים פיזור הספק על פני דיודה, עם עליה‏ מתאימה בטמפרטורת הלוח.
• למעגלי רכיבים בדידים קשה להכיל הגנה תרמית מספקת עבור אלמנט מעבר הזרם FET. כתוצאה מכך, שיפור קריטי זה לא יהיה כלול, או התכן חייב להיות גדול יותר משמעותית כדי לספק אזור עבודה בטוח (SOA) מתאים.
• מעגל רכיבים בדידים מקיף דורש רכיבים רבים ומקום משמעותי בלוח, והצורך באיתנות מעגל ההגנה ואמינות מוסיף רכיבים נוספים.
• אף על פי שקצב השינוי של מתח היציאה בתכני רכיבים בדידים ניתן לכוונון על ידי שימוש ברכיבי נגד וקבל (RC), רכיבים אלה חייבים להיות בערכים שדורשים זהירות בהבנה של מאפייני השער של FET מעבר-הזרם.

אפילו אם פתרון של רכיבים בדידים היה מתקבל, הוא היה מוגבל במאפיינים בהשוואה לפתרון מעגל-משולב (IC). פתרון מעגל-משולב יכול לכלול חלק או את כל הפונקציות הרבות הנוספות שהוזכרו קודם, כפי שניתן לראות בתרשים דיאגרמת המלבנים של eFuse באיור 8. נוסף לכך, פתרון המעגל-המשולב (IC) הוא קטן יותר, יש לו ביצועים עקביים יותר ובאפיון מלא, ומציע “שלוות נפש” במימוש, דבר שפתרון מרובה רכיבים אינו יכול להציע, ועושה זאת בעלות נמוכה יותר. שים לב שגיליון הנתונים של ה-TPS26620 כולל מספר תריסר גרפים של ביצועים ודיאגרמות תזמון המכסים מגוון תנאי עבודה, שאת כולם יהיה קשה ליצור עבור גישה העשויה מרכיבים בדידים.

איור 8: הפשטות החיצונית והמראה של נתיך eFuse באפיון מלא ‏מסתיר את המורכבות הפנימית שלו, שיהיה קשה מאוד לשכפל תוך שימוש ברכיבים בדידים. (מקור תמונה: Texas Instruments)

יש סיבה קריטית נוספת לקנות מעגל-משולב eFuse סטנדרטי ולא לבחור בדרך הבנייה-העצמית בעזרת רכיבים בדידים: אישור רגולטורי. נתיכים רבים — תרמיים ו-eFuse ‏— משמשים עבור פונקציות הקשורות לבטיחות, כדי למנוע תנאים בהם זרם גבוה מדי יכול לגרום להתחממות-יתר של רכיב ואולי אש, או לגרום נזק למשתמשים.

כל הנתיכים התרמיים הקונבנציונליים מאושרים על ידי הסוכנויות הרגולטוריות והתקנים השונים כדי לספק קטיעת זרם אל-כשל (Fail-Safe) בעת שימוש הולם. אולם, יהיה קשה מאוד ויצרוך זמן רב, ואולי אפילו בלתי אפשרי לקבל את אותם אישורים עבור פתרון באמצעות רכיבים בדידים.

לעומת זאת, רבים מהמעגלים-המשולבים ‏eFuse כבר מאושרים. לדוגמה, נתיכי eFuse‏ מסדרת ה-TPS2662x זכו בהכרת UL 2367 (“מגן זרם-יתר מצב-מוצק עבור מטרה מיוחדת”) ומוסמכים IEC 62368-1 (ציוד טכנולוגיה אודיו/וידיאו, מידע ותקשורת ‑ חלק 1: דרישות בטיחות). הם גם עומדים ב-IEC 61000-4-5 (“תאימות אלקטרומגנטית (EMC) - חלק 4-5: טכניקות בדיקה ומדידה - בדיקת חסינות לנחשול”). כדי לקבל הסמכות אלו, נתיכי eFuse אלה נבדקים בביצועים בתפקידם הבסיסי, כמו גם תחת תנאים הכוללים טמפרטורות עבודה מינימליות ומקסימליות, טמפרטורות אחסון והובלה מינימליות ומקסימליות, בדיקות חריגות ועמידות נרחבות ומעבר מחזורים תרמיים.

מסקנה

נתיכי eFuse‏, שמשתמשים במעגל אקטיבי להבדיל מחוליה ברת-התכה לקטיעת זרימת זרם, מסייעים למתכננים לעמוד בדרישות הכוללות קטיעת זרם מהירה, איפוס-עצמי ועבודה אמינה בתנאי זרם-נמוך. הם גם באים עם מאפייני הגנה שונים כמו גם קצבי שינוי ביציאה (slew rates) ניתנים לכוונון. ככאלה, הם תוספת‏ רבת-ערך לערכת רכיבי ההגנה על מעגלים ומערכות של המהנדס.

כפי שנידון, נתיכי eFuse‏ יכולים להחליף נתיכים תרמיים קונבנציונליים, אם כי בהרבה מקרים הם מספקים הגנה מקומית והם מלווים בתוספת של נתיך תרמי. כמו הנתיך התרמי הנכבד, רבים מנתיכי ה-eFuse גם מוסמכים לשימוש בפונקציות הקשורות לבטיחות, ובכך מתרחבת הוורסאטיליות והישימות שלהם.

קריאה נוספת

1. “IEC 62368-1 עומד להגיע: תקן הבטיחות החדש עבור ICT וציוד AV”
2. “חיוני שספק-הכוח הנכון יעמוד במנדט בטיחות מוצר לצרכן IEC/UL IEC-62368 החדש”
3. “מערך הדרכה על נתיכים”
4. “כיצד לבחור ולישם חישת זרם חכמה וטכנולוגיות ניטור (במקום נתיכים)”