Protección de circuitos compacta, flexible y precisa que cumple las normas de seguridad IEC y UL

La protección de dispositivos y usuarios finales frente a condiciones de tensión, corriente y temperatura potencialmente dañinas es necesaria en aplicaciones como adaptadores USB Type-C® de corriente alterna (CA), equipos de red y electrónica de consumo e industrial. El uso de fusibles convencionales o termistores de coeficiente de temperatura positivo (PTC) puede proporcionar soluciones compactas y cierta protección. Sin embargo, un número cada vez mayor de aplicaciones requiere mayores niveles de protección y mayor flexibilidad, incluidos tiempos de respuesta más rápidos y protección contra sobretensión (OVP), protección contra sobreintensidad (OCP), bloqueo por subtensión (UVLO), protección contra sobretemperatura (OTP), arranque suave y/o bloqueo por corriente inversa (RCB) programables y reajustables. En el caso de los adaptadores de CA USB Type-C, también es necesario que admitan el intercambio rápido de funciones (FRS) que cumple con el requisito de temporización definido en la especificación USB Power Delivery.

Es posible diseñar circuitos de protección para implementar todas estas funciones, pero el proceso de diseño lleva tiempo. Además, obtener el reconocimiento de seguridad UL o IEC 62368-1 puede ampliar aún más el plazo de comercialización. Además, una solución que utilice componentes discretos puede aumentar el tamaño total de la solución.

Para implementar rápidamente funciones de protección compactas y precisas que cumplan las normas de seguridad UL e IEC, los diseñadores pueden recurrir a los reguladores eFuse. Estos CI de protección integrada tienen umbrales de protección programables para favorecer la flexibilidad de diseño y la protección puede ser de enclavamiento o tener recuperación automática cuando se elimina el fallo. Tienen baja resistencia "on" para maximizar la eficiencia e incluyen arranque suave para minimizar las corrientes de irrupción. Algunos modelos incluyen capacidad FRS certificada para su uso en adaptadores de CA USB Type-C.

Este artículo ofrece una introducción a los fusibles electrónicos, incluidos los valores nominales de voltaje e intensidad y las aplicaciones representativas. A continuación, analiza cómo se implementan las funciones de protección, como OCP, arranque suave, OVP, UVLO y OTP. Concluye presentando una serie de CI eFuse de Littelfuse optimizados para aplicaciones específicas, junto con consideraciones sobre la integración de sistemas para acelerar la comercialización.

Criterios de selección de eFuse

Los requisitos de eFuse para una aplicación determinada están estrechamente relacionados con el voltaje y la corriente de funcionamiento del sistema. Para los sistemas de voltaje bajo y corriente baja de hasta unos 5 voltios de entrada de corriente continua (V_CC) y 2 amperios (A) de corriente, suelen ser necesarias características como OCP, OTP, UVLO y supresión de corriente de irrupción (dV/dt) para eventos de cambio en caliente y conexión en caliente. Para aplicaciones que consumen entre 2 y 6 A, con tensiones de entrada de hasta 24 V_CC, a menudo se necesitan OVP, limitación de corriente/OCP y señales de "buena alimentación". Los temporizadores y monitores de corriente para la supervisión del sistema y OCP y RCB son comunes en aplicaciones que utilizan 6 A y más y voltajes de 24 V_CC y superiores (Figura 1).

Figura 1: Los conjuntos de características de eFuse están fuertemente correlacionados con la tensión (eje horizontal) y la corriente (eje vertical) de entrada de la aplicación. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Protección de corriente y arranque suave

Las corrientes excesivas pueden hacer que los componentes electrónicos superen sus temperaturas nominales de funcionamiento, perjudicando su rendimiento y reduciendo su vida útil. Un circuito de protección de corriente supervisa la corriente (I) y, si supera el nivel establecido de "Límite de I", que está por encima de la corriente nominal de funcionamiento "Iout", la corriente de entrada se regula primero a un nivel fijo durante varios microsegundos (µs) y luego se reduce automáticamente a un nivel seguro. Dependiendo del eFuse que se utilice, el valor del límite I puede ser fijo o programable. Cuando se produce una sobreintensidad, el eFuse reduce la corriente de entrada durante un tiempo fijo, normalmente varios milisegundos (ms), y luego vuelve a encenderlo para ver si se ha solucionado el fallo.

Si el fallo persiste, volverá a regular y reducir automáticamente la corriente, esperará unos ms y se reiniciará. La secuencia de reducir la corriente y volver a arrancar hasta que se elimina el fallo se denomina a veces protección "modo hipo". En caso de cortocircuito, la corriente de entrada aumenta muy rápidamente y el eFuse reduce inmediatamente la corriente de entrada a un nivel seguro (Figura 2).

Figura 2: Los eFuses incluyen limitación de corriente con auto-reintento para proteger contra corrientes de carga excesivas y protección contra cortocircuitos. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

El arranque suave limita el flujo de corriente de irrupción cuando se enciende un aparato. Sin arranque suave, las únicas limitaciones a la corriente son las impedancias relativamente bajas de las trazas de la placa de circuito impreso (PC) y los componentes. Las corrientes de irrupción elevadas pueden dañar el circuito de la fuente de alimentación o los componentes. El arranque suave enciende lentamente el eFuse, controlando la velocidad de respuesta y limitando la corriente de irrupción (Figura 3). La velocidad de arranque suave puede ser fija o programable.

Figura 3: El arranque suave de un eFuse evita las corrientes de irrupción potencialmente dañinas y puede ser fijo o programable. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

UVLO y OVP

Un voltaje demasiado alto o demasiado bajo también puede provocar averías en el sistema y posibles daños. UVLO en un eFuse impide que el dispositivo funcione si el voltaje de entrada es inferior a un umbral preestablecido. Además, si la tensión de entrada aumenta demasiado despacio o si la fuente de alimentación tiene una resistencia interna significativa (como una batería), la tensión puede caer a medida que aumenta la corriente de carga, haciendo que la tensión cruce repetidamente el umbral UVLO. Cuando esto ocurre, la función UVLO puede entrar en oscilación. El uso de un circuito UVLO con una histéresis (retardo) de unos 150 a 300 milivoltios (mV) puede eliminar las oscilaciones y garantizar un funcionamiento suave de la función UVLO.

La función OVP protege el dispositivo de tensiones o daños causados por voltajes excesivamente altos. Cuando se detecta una situación de sobretensión, el eFuse bloquea inmediatamente la tensión para proteger el sistema y, a continuación, se apaga. También descarga los condensadores de salida a tierra a través de una resistencia/resistor interno. Cuando el voltaje cae hasta un valor especificado, el eFuse se enciende automáticamente (figura 4). El umbral de OVP puede ser fijo o programable.

Figura 4: Cuando la tensión de entrada alcanza el valor de fijación OVP, se impide que siga subiendo y el eFuse desconecta la salida para proteger el sistema. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Protección térmica

Las temperaturas excesivas también pueden provocar daños o un funcionamiento incorrecto, por lo que los eFuses incluyen un sensor de temperatura interno. La OTP suele aplicarse como un proceso en dos fases. En primer lugar está la temperatura de regulación térmica, que suele rondar los 125 °C, momento en el que el eFuse limita el flujo de corriente para intentar detener el aumento de temperatura. Si la temperatura sigue aumentando y la temperatura de la unión del dispositivo supera el umbral de apagado térmico (TSHDN) -normalmente en torno a 140 °C-, el eFuse se apaga. El OTP también incluye histéresis y el eFuse se reiniciará cuando la temperatura interna caiga 20 °C por debajo del TSHDN (Figura 5).

Figura 5: El OTP incluye histéresis que reinicia el eFuse una vez que la temperatura ha descendido una cantidad predeterminada. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Fusibles electrónicos compactos de 5 V para dispositivos alimentados por baterías

Los diseñadores de auriculares Bluetooth, dispositivos para llevar puestos, tabletas y otros dispositivos alimentados por adaptador pueden recurrir al LS0505EVD22 de 5 voltios y 5 A en un encapsulado DFN2X2_8L, y al LS0504EVT233 de 5 voltios y 4 A en un encapsulado SOT23_3L para soluciones compactas que proporcionan OVP, OCP y arranque suave (Figura 6). La resistencia en estado encendido de 50 miliohmios (mΩ) del interruptor interno minimiza la disipación de potencia. El OVP reacciona inmediatamente en caso de voltaje excesivo y descarga el condensador de salida. El umbral de limitación de corriente se ajusta con una resistencia/resistor externo y el OCP funciona en modo hipo para condiciones de sobrecorriente o cortocircuito. La función de arranque suave automático proporciona una rampa de tensión suave, limitando la corriente de irrupción a un nivel seguro.

Figura 6: El eFuse LS0504EVT233 se presenta en un encapsulado compacto SOT23 para su uso en aplicaciones con limitaciones de espacio. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Fusibles electrónicos de 18 voltios / 5 A

Los fusibles electrónicos de la serie LS1205E tienen un rango de tensión de funcionamiento de 2.7 a 18 _VCC, una intensidad nominal de 5 A y son adecuados para su uso en unidades de disco duro, unidades de disco de estado sólido y dispositivos alimentados por adaptador, como ordenadores portátiles y dispositivos de red. Estos eFuses incorporan un interruptor con una resistencia en estado encendido de 25 mΩ y se presentan en un encapsulado DFN3×3 de 10 terminales. Incluyen tiempo de arranque suave programable, umbral de límite de corriente programable hasta 5 A, protección contra cortocircuitos, UVLO y OTP de retroceso. Hay dos modelos disponibles:

El LS1205EV incluye tres rangos de voltaje de entrada seleccionables. La tensión de bloqueo de salida y los umbrales UVLO se basan en el rango de tensión de entrada seleccionado.

El LS1205EF incluye una función de indicador de fallo de drenaje abierto que señala la aparición de fallos UVLO, OVP, cortocircuito y apagado térmico.

Fusible electrónico de 28 voltios con RCB y FRS

Los diseñadores de computadoras portátiles y tabletas, estaciones de acoplamiento y dispositivos de red que necesitan funcionalidad Thunderbolt o USB Type-C PD con RCB y FRS, pueden recurrir al regulador LS2406ERQ23 de 28 voltios y 6 A eFuse que incluye OCP, OVP, cortocircuito, arranque suave y OTP (Figura 7). El interruptor de alimentación tiene una resistencia en estado encendido de 24 mΩ para minimizar la disipación de potencia durante el funcionamiento normal, las funciones OCP, OVP y arranque suave son programables, y la OTP incluye recuperación automática cuando el dispositivo se enfría. Este eFuse tiene una función RCB siempre activa, independientemente del estado lógico de la señal de habilitación (EN). FRS y las funciones de descarga de entrada y salida integradas cumplen las especificaciones USB PD.

El LS2406ERQ23 se presenta en un paquete QFN de bajo perfil y 16 terminales de 2.5 milímetros (mm) x 3.2 mm y cuenta con el reconocimiento UL según UL/CSA 62368-1.

Figura 7: Aplicación típica del eFuse LS2406ERQ23 compatible con el bloqueo de corriente inversa y FRS para aplicaciones USB Type-C PD. (Fuente de la imagen: Littelfuse)

Directrices para el diseño del tablero

Para la serie LS1205E, así como para los modelos LS0505EVD22 y LS0504EVT233, a continuación se ofrecen algunas consideraciones generales sobre la disposición de la placa para garantizar una implementación satisfactoria:

• Debe colocarse un condensador de desacoplamiento cerámico de 0.1 microfaradios (µF) o mayor entre el terminal IN y tierra (GND), y entre el terminal OUT y GND. Cuando la inductancia de la ruta de potencia de entrada es insignificante, como en las aplicaciones de conexión en caliente, este condensador puede no ser necesario.
• Los condensadores de desacoplamiento deben colocarse lo más cerca posible de los terminales IN, OUT y GND, y debe minimizarse el área de bucle formada por las conexiones.
• Las líneas de alimentación de alto amperaje deben dimensionarse para transportar al menos el doble de la corriente máxima prevista y ser lo más cortas posible.
• El terminal GND del eFuse debe conectarse directamente al plano de tierra de la placa de PC. El plano de tierra de la placa de PC debe ser una isla o un plano de cobre.

Solo para la serie LS1205E: Ubique todos los componentes de soporte como R_ILIM, condensador SS (CSS) y resistencias para EN, lo más cerca posible de la clavija de conexión correspondiente, y utilice la menor longitud de traza posible para conectar el otro lado del componente a GND. Las trazas deben colocarse de forma que se evite el acoplamiento a cualquier señal de conmutación de la placa de PC, y la longitud de las trazas para los componentes R_ILIM y CSS debe ser lo más corta posible para minimizar el efecto de las parásitas sobre el ajuste del límite de corriente y la temporización de arranque suave.

Para el LS2406ERQ23, consulte la hoja de datos para las consideraciones de diseño relacionadas con la protección contra cortocircuitos del cable USB Type-C y los componentes FRS.

Conclusión:

Para proteger tanto a los usuarios como a los dispositivos y para cumplir las normas aplicables, los diseñadores pueden recurrir a los reguladores eFuse de protección integrada que ofrecen una gran variedad de funciones, como OVP, OCP, ULVO, OTP y bloqueo de corriente inversa. Con umbrales de protección programables y capacidad de restablecimiento, los eFuse admiten flexibilidad de diseño, a la vez que incorporan interruptores de baja resistencia "en esta encendido" para maximizar la eficiencia e incluyen arranque suave para minimizar las corrientes de irrupción. Algunos modelos incluyen FRS y RCB certificados para su uso en adaptadores de CA USB Type-C.

Lectura recomendada

1. Cómo diseñar circuitos de protección que cumplan la nueva norma AV/ICT IEC 62368-1