Warum und wie elektronische Sicherungen effektiv zum Schutz empfindlicher Schaltkreise eingesetzt werden

Thermische Sicherungen werden seit über 150 Jahren erfolgreich als grundlegende Schutzkomponente für Schaltkreise eingesetzt. Sie sind effektiv, zuverlässig, einfach zu verwenden und in einer Reihe von Werten und Variationen erhältlich, um unterschiedliche Designziele zu erfüllen. Für Entwickler, die eine extrem schnelle Stromabschaltung, die Fähigkeit zur Selbstrückstellung sowie die Fähigkeit, bei relativ niedrigen Stromwerten zu funktionieren, suchen, haben sie jedoch unvermeidliche Mängel. Für diese Entwickler sind elektronische Sicherungen, oft als eFuse oder e-Fuse bezeichnet, eine hervorragende Lösung, die manchmal die Thermosicherung ersetzt, aber meistens ergänzt.

Elektronische Sicherungen basieren auf einem einfachen Konzept der Stromerfassung durch Messen der Spannung über einem bekannten Widerstand und anschließendes Abschalten des Stromflusses über einen Feldeffekttransistor (FET), wenn dieser einen Auslegungsgrenzwert überschreitet. Die elektronische Sicherung bietet Eigenschaften, Flexibilität und Funktionen, die eine Thermosicherung nicht bieten kann.

In diesem Artikel wird beschrieben, wie elektronische Sicherungen funktionieren. Anschließend werden die Merkmale, die zusätzliche Funktionalität und der effektive Einsatz dieser Aktivkreis-Sicherungen untersucht. Dabei werden Beispiellösungen von Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage und STMicroelectronics vorgestellt und deren effektiver Einsatz skizziert.

Wie funktionieren die elektronischen Sicherungen (eFuses)?

Das Funktionsprinzip einer herkömmlichen Thermosicherung ist einfach, bekannt und zuverlässig: Wenn der Strom, der durch den Schmelzeinsatz fließt, seinen Auslegungswert überschreitet, erhitzt sich dieses Element ausreichend, um zu schmelzen. Dadurch wird der Strompfad unterbrochen, und der Strom geht auf Null. Je nach Sicherungsleistung und -typ sowie der Höhe des Überstroms kann eine Thermosicherung innerhalb von einigen hundert Millisekunden bis zu mehreren Sekunden reagieren und den Strompfad öffnen. Natürlich gibt es, wie bei allen aktiven und passiven Komponenten, viele Variationen, Feinheiten und Schattierungen des Betriebs für dieses rein passive und im Prinzip einfache Bauteil.

Im Gegensatz dazu arbeiten elektronische Sicherungen nach einem ganz anderen Prinzip. Sie bieten einen Teil der gleichen Funktionalität, fügen aber auch neue, andere Funktionen und Merkmale hinzu. Das grundlegende eFuse-Konzept ist ebenfalls einfach: Der Strom zur Last fließt durch einen FET und einen Messwiderstand und wird über die Spannung an diesem Messwiderstand überwacht. Wenn er einen voreingestellten Wert überschreitet, schaltet die Steuerlogik den FET aus und unterbricht den Stromfluss (Abbildung 1). Der FET, der mit der Versorgungsleitung und der Last in Reihe geschaltet ist, muss einen sehr niedrigen Einschaltwiderstand haben, damit er keinen übermäßigen Strom-Widerstands-Abfall (IR) oder Leistungsverschwendung verursacht.

Abbildung 1: Wenn bei einer elektronischen Sicherung (eFuse) der Strom von der Versorgung zur Last durch einen Messwiderstand fließt, wird er über die Spannung an diesem Widerstand überwacht; wenn sie einen festgelegten Wert überschreitet, schaltet die Steuerlogik den FET aus und blockiert den Stromfluss zur Last. (Bildquelle: Texas Instruments)

Es mag scheinen, dass eine elektronische Sicherung einfach eine kompliziertere, aktive Version der klassischen, passiven Thermosicherung ist. Das ist zwar richtig, aber die elektronische Sicherung bietet auch einige einzigartige Eigenschaften:

Geschwindigkeit: Es handelt sich um schnell reagierende Komponenten mit Reaktionszeiten in der Größenordnung von Mikrosekunden, wobei einige für eine Reaktionszeit im Nanosekundenbereich ausgelegt sind. Dies ist wichtig für heutige Schaltungen mit relativ empfindlichen ICs und passiven Bauteilen.

Betrieb mit niedrigen Strömen: Elektronische Sicherungen können nicht nur für den Betrieb bei niedrigen Strömen (in der Größenordnung von 100 Milliampere (mA) oder weniger) ausgelegt werden, sondern sie funktionieren auch gut bei niedrigen einstelligen Spannungen. Bei diesen Pegeln können Thermosicherungen oft nicht mit einem ausreichenden Selbsterwärmungsstrom versorgt werden, um ein Schmelzen ihres Schmelzeinsatzes zu bewirken.

Zurücksetzbar: Je nach Modell bietet die elektronische Sicherung die Möglichkeit, nach dem Auslösen ausgeschaltet zu bleiben (sogenannter Latch-Off-Modus) oder den normalen Betrieb wieder aufzunehmen, wenn der aktuelle Fehler verschwindet (Auto-Retry-Modus). Die letztgenannte Einstellung ist besonders nützlich in transienten Einschaltstromsituationen, in denen kein „harter“ Fehler vorliegt, wie z. B. beim Einstecken einer Karte in ein energieversorgtes Bussystem. Sie ist auch dann nützlich, wenn ein Austausch der Sicherung schwierig oder kostspielig wäre.

Rückstromschutz: Eine elektronische Sicherung kann auch einen Rückstromschutz bieten, was eine Thermosicherung nicht kann. Rückströme können auftreten, wenn die Spannung am Ausgang des Systems höher ist als an seinem Eingang. Dies kann z. B. bei einem Satz parallel geschalteter redundanter Netzteile auftreten.

Überspannungsschutz: Mit einigen zusätzlichen Schaltungen kann die elektronische Sicherung auch einen Überspannungsschutz vor Überspannungen oder induktiven Stößen bieten, indem sie den FET ausschaltet, wenn die Eingangsspannung den eingestellten Überspannungsauslösepunkt überschreitet, und im AUS-Zustand verbleibt, solange diese Überspannungsbedingung anhält.

Verpolungsschutz: Die eFuse kann auch einen Verpolungsschutz bieten, der den Stromfluss schnell unterbricht, wenn die Quelle verkehrt herum angeschlossen ist. Ein Beispiel ist eine Autobatterie, die durch versehentliche Kabelberührung für einen kurzen Moment verpolt wird.

Flankensteilheit: Einige fortschrittliche elektronische Sicherungen können auch eine definierte Stromanstiegsrampe beim Ausschalten/Einschalten bieten, indem sie den Ein-/Aus-Übergang des durchsteuernden FETs über eine externe Steuerung oder durch die Verwendung fester Komponenten steuern.

Aus diesen Gründen sind elektronische Sicherungen eine attraktive Lösung für die Stromflusssteuerung. Sie können zwar in manchen Fällen anstelle von Thermosicherungen verwendet werden, aber oft werden beide gepaart. In einer solchen Anordnung wird die elektronische Sicherung für den lokalen, reaktionsschnellen Schutz eines Teilschaltkreises oder einer Platine verwendet, wie z. B. in Hot-Swap-Systemen (Hot-Plug), Automobilanwendungen, speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) und Batterielade-/Entlademanagement; die ergänzende thermische Sicherung bietet Schutz auf Systemebene gegen große, grobe Ausfälle, bei denen eine harte und dauerhafte Abschaltung erforderlich ist.

Auf diese Weise erhält der Entwickler das Beste aus beiden Welten, mit allen Möglichkeiten der elektronischen Sicherung plus dem klaren, eindeutigen Betrieb der Thermosicherung. Dies wird ohne technische Abstriche oder Nachteile erreicht. Natürlich gibt es, wie bei jeder Designentscheidung, einige Kompromisse. In diesem Fall handelt es sich um einen zusätzlichen Platzbedarf und eine etwas größere Stückliste (BOM).

Auswählen einer elektronischen Sicherung: Funktionen und Anwendungen

Bei der Auswahl einer elektronischen Sicherung gibt es einige grundlegende Parameter zu beachten. Die wichtigste Überlegung ist, nicht überraschend, der Strompegel, bei dem die Sicherung wirkt. Diese kann typischerweise von unter 1 Ampere (A) bis zu etwa 10 A reichen, ebenso wie die maximale Spannung, die die Sicherung über ihren Anschlüssen aushalten kann. Bei einigen elektronischen Sicherungen ist dieser Strompegel fest eingestellt, während er bei anderen über einen externen Widerstand vom Benutzer eingestellt werden kann. Weitere Auswahlfaktoren sind die Reaktionsgeschwindigkeit, der Ruhestrom, die Größe (Footprint) und die Anzahl und Art der benötigten externen Unterstützungskomponenten, falls notwendig. Darüber hinaus müssen die Entwickler alle zusätzlichen Merkmale und Funktionen berücksichtigen, die die verschiedenen eFuse-Modelle bieten können.

SPSen sind beispielsweise eine Anwendung, bei der elektronische Sicherungen in verschiedenen Teilschaltungen von Vorteil sind, die anfällig für Sensor-I/O- und Stromversorgungsfehlanschlüsse sein können. Es treten auch Stromstöße auf, wenn Kabelverbindungen hergestellt oder Platinen im laufenden Betrieb ausgetauscht werden. Eine elektronische Sicherung wie die TPS26620 von Texas Instruments wird häufig in diesen 24-Volt-Anwendungen eingesetzt. In Abbildung 2 ist sie auf einen Grenzwert von 500 mA eingestellt. Sie arbeitet von 4,5 Volt bis 60 Volt bei bis zu 80 mA, mit einer programmierbaren Strombegrenzung sowie Überspannungs-, Unterspannungs- und Verpolungsschutz. Der IC kann auch den Einschaltstrom kontrollieren und bietet einen robusten Schutz gegen Rückstrom- und Feld-Fehlverdrahtungsbedingungen sowohl für SPS-I/O-Module als auch für Sensorstromversorgungen.

Abbildung 2: Die elektronische Sicherung TPS26620 von Texas Instruments ist so eingestellt, dass sie bei einem Strom von 500 mA in dieser 24-Volt-DC-SPS-Anwendung auslöst. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die Timing-Diagramme in Abbildung 3 für den TCKE805 von Toshiba, eine elektronische Sicherung für 18 Volt, 5 A, zeigen, wie ein Hersteller die Modi „Auto-Retry“ und „Latched“ implementiert hat. Im Auto-Retry-Modus (eingestellt über den EN/UVLO-Gehäusepin) verhindert die Überstromschutzfunktion eine Beschädigung der eFuse und ihrer Last durch Unterdrückung der Leistungsaufnahme im Falle einer Fehlersituation.

Abbildung 3: Die elektronische Sicherung TCKE805 von Toshiba für 18 Volt und 5 A verwendet eine Test- und Wiederholungszyklussequenz, um zu beurteilen, ob es sicher ist, den Stromfluss wiederherzustellen. (Bildquelle: Toshiba)

Wenn der über den externen Widerstand (R_LIM) eingestellte Ausgangsstrom den Grenzstromwert (I_LIM) aufgrund eines Lastfehlers oder Kurzschlusses überschreitet, sinken der Ausgangsstrom und die Ausgangsspannung, wodurch die vom IC und der Last aufgenommene Leistung begrenzt wird. Wenn der Ausgangsstrom den voreingestellten Grenzwert erreicht und ein Überstrom erkannt wird, wird der Ausgangsstrom geklemmt, so dass nicht mehr Strom als I_LIM fließt. Wenn die Überstromsituation in diesem Stadium nicht behoben wird, wird dieser geklemmte Zustand beibehalten und die eFuse-Temperatur steigt weiter an.

Wenn die eFuse-Temperatur die Betriebstemperatur der thermischen Abschaltfunktion erreicht, wird der eFuse-MOSFET abgeschaltet und der Stromfluss vollständig gestoppt. Der Auto-Retry-Betrieb versucht, den Stromfluss durch Anhalten des Stroms wiederherzustellen, wodurch die Temperatur sinkt und die thermische Abschaltung aufgehoben wird. Wenn die Temperatur wieder ansteigt, wiederholt sich der Zyklus und stoppt den Betrieb, bis die Überstromsituation beseitigt ist.

Im Gegensatz dazu klemmt der Latch-Modus den Ausgang, bis die elektronische Sicherung über den Enable-Pin (EN/UVLO) des ICs zurückgesetzt wird (Abbildung 4).

Abbildung 4: Im Latch-Modus setzt sich die elektronische Sicherung von Toshiba im Gegensatz zum Auto-Retry-Modus erst zurück, wenn sie über den Enable-Pin des ICs dazu angewiesen wird. (Bildquelle: Toshiba)

Einige elektronische Sicherungen können so konfiguriert werden, dass sie Probleme überwinden, die mit der Strommessung über einen Widerstand verbunden sind, wie z. B. den damit verbundenen IR-Abfall, der die ausgangsseitige Schienenspannung reduziert. Der STEF033AJR von STMicroelectronics für 3,3 Volt hat zum Beispiel einen maximalen Nennstrom und einen FET-Einschaltwiderstand von 3,6 A bzw. 40 Milliohm (mΩ) für das DFN-Gehäuse und 2,5 A bzw. 25 mΩ für das Flip-Chip-Gehäuse. Bei der in Abbildung 5 gezeigten konventionellen Schaltung kann bei höheren Stromwerten bereits ein bescheidener IR-Abfall von etwa 15 Millivolt (mV) in der Versorgungsschiene durch den Einschaltwiderstand signifikant und besorgniserregend sein.

Abbildung 5: Bei der konventionellen Verdrahtung des STEF033AJR wird der Widerstand, der den Begrenzungswert, R-lim, festlegt, zwischen zwei dafür vorgesehenen Klemmen platziert. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Durch die Modifikation der konventionellen Verbindung, indem der Widerstand zwischen den positivseitigen Grenzwertanschluss und den Ausgangsspannungsanschluss (V_OUT/Source) gelegt wird, wird eine Kelvin-Sensing-Anordnung realisiert, die den IR-Abfall kompensiert (Abbildung 6).

Abbildung 6: Um die Auswirkungen des IR-Stromabfalls zu reduzieren, wird die negative Seite des Begrenzungswiderstands mit dem Spannungsausgang (V_OUT/Source) verbunden. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Beachten Sie, dass elektronische Sicherungen zwar Halbleiter sind und bis zu einstelligen Spannungen arbeiten können, aber nicht auf diesen niedrigen Bereich beschränkt sind. Die elektronischen Sicherungen der Familie TPS2662x von Texas Instruments sind zum Beispiel für den Betrieb von 4,5 bis 57 Volt ausgelegt.

eFuse: Entwickeln oder kaufen?

Im Prinzip ist es möglich, eine einfache elektronische Sicherung aus diskreten Komponenten aufzubauen, indem man ein paar FETs, einen Widerstand und eine Induktivität verwendet. Die ersten elektronischen Sicherungen wurden auf diese Weise gebaut, wobei die Induktivität zwei Zwecke erfüllte: Sie filterte den DC-Ausgang und fungierte außerdem als Messwiderstand, indem sie den DC-Widerstand ihrer Wicklungen nutzte.

Eine verbesserte elektronische Sicherung mit gleichmäßigerer Leistung, die sowohl die Eigenschaften ihrer Komponenten als auch reale Betriebserwägungen berücksichtigt, erfordert jedoch mehr als nur ein paar diskrete Komponenten. Selbst mit den zusätzlichen Komponenten kann sie nur grundlegende eFuse-Funktionalität bieten (Abbildung 7).

Abbildung 7: Eine elektronische Sicherung mit Basisfunktionalität unter Verwendung diskreter Komponenten muss deren inhärente Einschränkungen vorhersehen und überwinden. (Bildquelle: Texas Instruments)

Die Realität ist, dass die Anhäufung von aktiven und passiven diskreten Komponenten schnell unhandlich wird, anfällig für Leistungsschwankungen von Einheit zu Einheit ist und Probleme im Zusammenhang mit der anfänglichen Toleranz, der Komponentenalterung und der temperaturbedingten Drift hat. Kurz gesagt, eine diskrete Lösung zum Selbermachen hat viele Einschränkungen:

• Diskrete Schaltungen verwenden in der Regel einen P-Kanal-MOSFET als Durchgangselement, der im Hinblick auf das Erreichen des gleichen Einschaltwiderstandswertes (R_DS(ON)) teurer ist als ein N-Kanal-MOSFET.
• Diskrete Lösungen sind ineffizient, da sie eine Verlustleistung über eine Diode mit einem entsprechenden Anstieg der Leiterplattentemperatur beinhalten.
• Bei diskreten Schaltungen ist es schwierig, einen ausreichenden thermischen Schutz für das FET-Durchgangselement vorzusehen. Infolgedessen muss diese kritische Erweiterung weggelassen werden, oder die Konstruktion muss erheblich überdimensioniert werden, um einen geeigneten sicheren Betriebsbereich (SOA) zu schaffen.
• Eine umfassende diskrete Schaltung benötigt viele Komponenten und beträchtlichen Platz auf der Platine, und der Bedarf an Robustheit und Zuverlässigkeit der Schutzschaltung fügt zusätzliche Komponenten hinzu.
• Obwohl die Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung in diskreten Designs mit Hilfe von Widerstands- und Kondensatorkomponenten (RC) einstellbar ist, müssen diese Komponenten unter sorgfältiger Berücksichtigung der Gate-Charakteristik des FET-Durchgangselements dimensioniert werden.

Selbst wenn eine Lösung mit diskreten Komponenten akzeptabel wäre, wäre sie im Vergleich zu einer IC-Lösung in ihren Funktionen eingeschränkt. Letzteres kann einige oder alle der vielen zuvor genannten Zusatzfunktionen beinhalten, wie im eFuse-Blockdiagramm in Abbildung 8 zu sehen ist. Darüber hinaus ist die IC-Lösung kleiner, hat eine konsistentere und vollständig charakterisierte Leistung und bietet eine Implementierungssicherheit, die eine Mehrkomponentenlösung nicht bieten kann, und das zu geringeren Kosten. Beachten Sie, dass das Datenblatt des TPS26620 mehrere Dutzend Leistungsdiagramme und Timing-Diagramme enthält, die eine Vielzahl von Betriebsbedingungen abdecken, die für den diskreten Ansatz nur schwer zu erstellen wären.

Abbildung 8: Die äußere Einfachheit und das Aussehen einer voll ausgestatteten elektronischen Sicherung verbirgt ihre interne Komplexität, die mit diskreten Komponenten nur sehr schwer zu reproduzieren wäre. (Bildquelle: Texas Instruments)

Es gibt noch einen weiteren wichtigen Grund, einen Standard-eFuse-IC zu kaufen, anstatt den diskreten Selbstbauweg zu gehen: die regulatorische Zulassung. Viele Sicherungen - thermische und elektronische Sicherungen - werden für sicherheitsrelevante Funktionen verwendet, um Bedingungen zu verhindern, bei denen ein übermäßiger Strom zu einer Überhitzung von Komponenten und möglicherweise zu einem Brand oder zu Verletzungen der Benutzer führen kann.

Alle herkömmlichen Thermosicherungen sind von den verschiedenen Aufsichtsbehörden und Normen zugelassen, um bei sachgemäßer Verwendung eine ausfallsichere Stromabschaltung zu gewährleisten. Es wäre jedoch sehr schwierig und zeitaufwendig und wahrscheinlich sogar unmöglich, die gleichen Genehmigungen für eine diskrete Lösung zu erhalten.

Im Gegensatz dazu sind viele der eFuse-ICs bereits zugelassen. Die elektronischen Sicherungen der Serie TPS2662x sind beispielsweise UL-2367-anerkannt („Special-purpose Solid-state Overcurrent Protector“) und gemäß IEC-62368-1 zertifiziert (Audio/Video-, Informations- und Kommunikationsgeräte - Teil 1: Sicherheitsanforderungen). Außerdem erfüllen sie IEC 61000-4-5 („Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) - Teil 4-5: Prüf- und Messverfahren - Prüfung der Störfestigkeit gegen Überspannungen“). Um so zertifiziert zu werden, werden diese elektronischen Sicherungen auf ihre Leistung in ihrer Grundfunktion sowie unter Bedingungen getestet, die minimale und maximale Betriebstemperaturen, minimale und maximale Lager- und Transporttemperaturen, umfangreiche anormale und Dauertests sowie thermische Wechselbeanspruchung umfassen.

Fazit

Elektronische Sicherung, die zum Unterbrechen des Stromflusses einen aktiven Schaltkreis anstelle eines Schmelzeinsatzes verwenden, helfen den Entwicklern, Anforderungen wie schnelles Abschalten, Selbstrückstellung und zuverlässigen Betrieb unter niedrigen Strombedingungen zu erfüllen. Außerdem verfügen sie über verschiedene Schutzfunktionen sowie einstellbare Anstiegsgeschwindigkeiten. Als solche sind sie eine wertvolle Ergänzung zum Baukasten des Ingenieurs für Schaltkreis- und Systemschutzkomponenten.

Wie besprochen, können elektronische Sicherungen herkömmliche Thermosicherungen ersetzen, obwohl sie in vielen Fällen einen lokalisierten Schutz bieten und durch die Thermosicherung ergänzt werden. Wie die altehrwürdige Thermosicherung sind auch viele der elektronischen Sicherungen für den Einsatz in sicherheitsrelevanten Funktionen zertifiziert, was ihre Vielseitigkeit und Anwendbarkeit erweitert.

Weiterführende Literatur

1. „IEC 62368-1 ist auf dem Weg: Die neue Sicherheitsnorm für IKT- und AV-Ausrüstung“
2. „Das richtige Netzteil ist für die Einhaltung der Vorgaben der neuen Norm IEC/UL IEC-62368 zur Sicherheit von Verbraucherprodukten von entscheidender Bedeutung“
3. „Leitfaden zu Sicherungen“
4. „Auswahl und Verwendung intelligenter Stromerfassungs- und Überwachungstechnologien (anstelle von Sicherungen)“