Por qué y cómo utilizar eficazmente los fusibles electrónicos para proteger los circuitos sensibles

Los fusibles térmicos se han utilizado con éxito durante más de 150 años como un dispositivo básico de protección de circuitos. Son eficaces, fiables, fáciles de usar y vienen en una gama de valores y variaciones para cumplir los diferentes objetivos de diseño. Sin embargo, tienen defectos inevitables para los diseñadores que buscan un corte de corriente extremadamente rápido, la capacidad de autoreinicio, así como la capacidad de funcionar a valores de corriente relativamente bajos. Para estos diseñadores, los fusibles electrónicos -a menudo escritos como eFuse o e-Fuse- son una excelente solución, a veces sustituyendo, pero generalmente complementando el fusible térmico.

Los eFuses se basan en un concepto simple de detección de corriente midiendo el voltaje a través de una resistencia conocida, y luego apagando el flujo de corriente a través de un transistor de efecto de campo (FET) cuando excede un límite de diseño. El eFuse ofrece características, flexibilidad y funciones que un fusible térmico no puede proporcionar.

Este artículo describirá cómo funcionan los eFuses. Luego explorará las características, la funcionalidad adicional y el uso efectivo de estos fusibles de circuito activo. A lo largo del camino, se presentarán ejemplos de soluciones de Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage y STMicroelectronics y se esbozará su uso efectivo.

¿Cómo funcionan los eFuses?

El principio de funcionamiento de un fusible térmico convencional es simple, bien conocido y fiable: cuando la corriente que pasa a través del eslabón fusible supera su valor de diseño, ese elemento se calienta lo suficiente como para fundirse. Esto rompe el camino de la corriente, y la corriente va a cero. Dependiendo de la capacidad y el tipo de fusible, así como de la cantidad de sobrecorriente, un fusible térmico puede reaccionar y abrir la trayectoria de la corriente en unos pocos cientos de milisegundos a varios segundos. Por supuesto, como con todos los componentes activos y pasivos, hay muchas variaciones, sutilezas y matices de funcionamiento disponibles para este dispositivo totalmente pasivo que es simple en principio.

Por el contrario, los fusibles electrónicos funcionan con un principio muy diferente. Proporcionan algunas de las mismas funciones, pero también añaden nuevas y diferentes funciones y características. El concepto básico de eFuse también es sencillo: la corriente de la carga pasa por un FET y una resistencia sensorial y se monitoriza a través del voltaje de esa resistencia sensorial. Cuando excede un valor preestablecido, la lógica de control apaga el FET y corta el flujo de corriente (Figura 1). El FET, que está en serie con la línea de suministro y la carga, debe tener una resistencia de encendido muy baja para no inducir una caída excesiva de la resistencia a la corriente (IR) o un desperdicio de energía.

Figura 1: En un eFuse, cuando la corriente del suministro a la carga pasa a través de un resistor sensorial, se monitoriza mediante el voltaje a través de ese resistor; cuando supera un valor establecido, la lógica de control apaga el FET, bloqueando el flujo de corriente a la carga. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Puede parecer que un fusible electrónico es simplemente una versión activa más complicada del clásico fusible térmico pasivo. Si bien eso es cierto, el eFuse también ofrece algunos atributos únicos:

Velocidad: Son dispositivos de acción rápida con tiempos de reacción de corte del orden de los microsegundos, con algunos diseñados para proporcionar una respuesta de nanosegundos. Esto es importante para los circuitos actuales con CI relativamente sensibles y componentes pasivos.

Operación de baja corriente: Los eFuses no solo pueden diseñarse para funcionar con corrientes bajas (del orden de 100 miliamperios (mA) o menos), sino que también funcionan bien con voltajes bajos de un dígito. A estos niveles, los fusibles térmicos a menudo no pueden ser suministrados con suficiente corriente de autocalentamiento para inducir la fusión de su eslabón fusible.

Reajustable: Dependiendo del modelo específico, el eFuse ofrece la opción de permanecer apagado después de ser activado (llamado modo de enclavamiento), o de reanudar el funcionamiento normal si la falla actual cede (modo de reintento automático). Este último ajuste es especialmente útil en situaciones transitorias de corriente de irrupción en las que no hay ningún fallo "duro", como ocurre cuando un tablero se conecta a un autobús con alimentación. También es útil cuando la sustitución del fusible sea difícil o costosa.

Protección de corriente inversa: Un eFuse también puede proporcionar protección contra la corriente inversa, lo que un fusible térmico no puede hacer. Las corrientes inversas pueden ocurrir cuando el voltaje en la salida del sistema es mayor que en la entrada. Esto puede ocurrir con un conjunto de fuentes de alimentación redundantes en paralelo, por ejemplo.

Protección de sobretensión: Con algunos circuitos adicionales, el eFuse también puede proporcionar protección contra sobretensiones o patadas inductivas, apagando el FET cuando el voltaje de entrada excede el punto de disparo por sobretensión establecido, y permaneciendo en la condición OFF mientras persista esa condición de sobretensión.

Protección contra la polaridad inversa: El eFuse también puede proporcionar protección contra la polaridad inversa, cortando rápidamente el flujo de corriente si la fuente está conectada al revés. Un ejemplo es una batería de coche que está conectada en reversa por un breve momento debido a un contacto accidental del cable.

La tasa de mortalidad se dispara: Algunos eFuses avanzados también pueden proporcionar una rampa de velocidad de giro de corriente de apagado/encendido definida controlando la transición de encendido/apagado del elemento de paso FET, a través de un control externo o utilizando componentes fijos.

Por estas razones, los eFuses son una atractiva solución para el control del flujo de corriente. Aunque en algunos casos pueden utilizarse en lugar de las mechas térmicas, a menudo se emparejan. En este tipo de disposición, el eFuse se utiliza para la protección localizada y de respuesta rápida de un subcircuito o de una placa de PC, como en los sistemas de intercambio en caliente (hot-swap), las aplicaciones de automoción, los controladores lógicos programables (PLC) y la gestión de carga y descarga de baterías; el fusible térmico complementario proporciona protección a nivel de sistema contra grandes fallos graves en los que se necesita un apagado duro y permanente.

De esta manera, el diseñador obtiene lo mejor de ambos mundos, con todas las capacidades de los fusibles electrónicos más el claro e inequívoco funcionamiento del fusible térmico. Esto se logra sin compensaciones o inconvenientes técnicos. Hay, por supuesto, algunas compensaciones como con cualquier decisión de diseño. En este caso se trata de un incremento de los bienes raíces y una lista de materiales ligeramente más grande (BOM).

Escogiendo un fusible electrónico: Funciones y aplicaciones

Al elegir un eFuse, hay algunos parámetros básicos a considerar. La consideración de primer nivel es, no es sorprendente, el nivel actual en el que actúa el fusible. Esto típicamente puede variar desde menos de 1 amperio (A) hasta alrededor de 10 A, así como el voltaje máximo que el fusible puede soportar a través de sus terminales. Para algunos eFuses, este nivel de corriente es fijo, mientras que para otros puede ser fijado por el usuario a través de una resistencia externa. Otros factores de selección incluyen la velocidad de respuesta, la corriente de reposo, el tamaño (huella) y el número y tipo de componentes de apoyo externo necesarios, si los hubiera. Además, los diseñadores deben tener en cuenta las características y funciones adicionales que pueden ofrecer los diferentes modelos de eFuse.

Por ejemplo, los PLC son una aplicación en la que los eFuses son beneficiosos en diferentes subcircuitos que pueden ser propensos a las E/S de los sensores y a la desconexión de la energía. También hay picos de corriente cuando se hacen conexiones de cables o se intercambian placas en caliente. Un eFuse como el TPS26620 de Texas Instruments se utiliza a menudo en estas aplicaciones de 24 voltios. Se muestra ajustado para un límite de 500 mA en la figura 2. Funciona desde 4.5 voltios a 60 voltios hasta 80 mA, con un límite de corriente programable, protecciones de sobretensión, subtensión y polaridad inversa. El CI también puede controlar la corriente de irrupción y proporcionar una protección robusta contra la corriente inversa y las condiciones de cableado incorrecto de campo tanto para los módulos de E/S del PLC como para las fuentes de alimentación de los sensores.

Figura 2: Se muestra el eFuse TPS26620 de Texas Instruments configurado para dispararse a una corriente de 500 mA en esta aplicación PLC de 24 voltios CC. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Los diagramas de tiempo de la Figura 3 para el TCKE805 de Toshiba, un eFuse de 18 voltios y 5 A, muestran cómo un proveedor ha implementado los modos de autoreintento versus enganche. En el modo de reintento automático (establecido por el pin del paquete EN/UVLO), la función de protección contra sobrecorriente evita daños al eFuse y su carga, suprimiendo el consumo de energía en caso de una situación de fallo.

Figura 3: El eFuse TCKE805 de 18 voltios, 5 A de Toshiba utiliza una secuencia de ciclo de prueba y repetición para evaluar si es seguro restaurar el flujo de corriente. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Si la corriente de salida, fijada por una resistencia externa (R_LIM), excede el valor de la corriente límite (_ILIM) debido a un error de carga o un cortocircuito, la corriente y el voltaje de salida disminuyen, limitando así la potencia consumida por el CI y la carga. Cuando la corriente de salida alcanza el valor límite preestablecido y se detecta una sobrecorriente, la corriente de salida se fija de manera que no fluya más corriente que la I_LIM. Si la situación de sobrecorriente no se resuelve en esta etapa, esta condición de bloqueo se mantiene y la temperatura de eFuse sigue aumentando.

Cuando la temperatura de eFuse alcanza la temperatura de funcionamiento de la función de apagado térmico, el eFuse MOSFET se apaga, deteniendo por completo el flujo de corriente. La operación de reintento automático intenta restaurar el flujo de corriente deteniendo la corriente, lo que reduce la temperatura y libera el apagado térmico. Si la temperatura vuelve a subir, el ciclo se repite y detiene la operación hasta que se elimine la situación de sobrecorriente.

Por el contrario, el modo de enganche sujeta la salida hasta que el eFuse se reinicia a través del pin de habilitación (EN/UVLO) del CI (Figura 4).

Figura 4: En el modo de cierre, a diferencia del modo de reintento automático, el eFuse de Toshiba no se reinicia hasta que se le indica que lo haga a través del pin de habilitación del CI. (Fuente de la imagen: Toshiba)

Algunos eFuses pueden ser configurados para superar problemas asociados con la detección de corriente a través de una resistencia, como la caída de IR asociada que reduce el voltaje del carril del lado de salida. Por ejemplo, el STEF033AJR de 3.3 voltios de STMicroelectronics tiene valores nominales máximos de corriente y de resistencia FET de 3.6 A y 40 miliohms (mΩ), respectivamente, para el paquete DFN; y de 2.5 A y 25 mΩ para el paquete flip-chip. En la conexión convencional que se muestra en la figura 5, a valores de corriente más altos, incluso una modesta caída de IR de unos 15 milivoltios (mV) en el carril de suministro a través de la resistencia de encendido puede ser significativa y preocupante.

Figura 5: En el cableado convencional del STEF033AJR, la resistencia que establece el valor límite, R-lim, se coloca entre dos terminales designados. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Modificando la conexión convencional poniendo la resistencia entre la conexión del límite del lado positivo y la conexión de voltaje de salida (V_OUT/Fuente), se implementa un arreglo de sensores Kelvin que compensa la caída de IR (Figura 6).

Figura 6: Para reducir los efectos de la caída de la corriente IR, el lado negativo de la resistencia límite se conecta a la salida de voltaje (V_OUT/Source). (Fuente de la imagen: STMicroelectronics)

Obsérvese que, aunque los eFuse son semiconductores y pueden funcionar con voltajes de un solo dígito, no se limitan a esa región baja. Por ejemplo, los eFuse de la familia TPS2662x de Texas Instruments están clasificados para funcionar de 4.5 a 57 voltios.

eFuse: ¿Hacer o comprar?

En principio, es posible construir un eFuse básico a partir de componentes discretos utilizando un par de FET, una resistencia y un inductor. Los primeros eFuses se construyeron de esta manera, con el inductor cumpliendo dos propósitos: filtrar la salida de CC y también actuar como una resistencia sensora usando la resistencia de CC de sus bobinas.

Sin embargo, un eFuse mejorado con un rendimiento más consistente que tenga en cuenta las características de sus componentes, así como las consideraciones operacionales del mundo real, requiere más que unos pocos componentes discretos. Incluso con los componentes adicionales, puede proporcionar sólo la funcionalidad básica de eFuse (Figura 7).

Figura 7: Un eFuse con una funcionalidad básica que utiliza componentes discretos debe anticipar y superar sus limitaciones inherentes. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

La realidad es que la acumulación de componentes discretos activos y pasivos pronto se vuelve difícil de manejar, es propensa a las variaciones de rendimiento de unidad a unidad, y tiene problemas relacionados con la tolerancia inicial, el envejecimiento de los componentes y la deriva inducida por la temperatura. En resumen, una solución discreta de "hágalo usted mismo" tiene muchas limitaciones:

• Los circuitos discretos utilizan generalmente un MOSFET del canal P como elemento de paso, que es más caro que un MOSFET del canal N con respecto a la obtención del mismo valor de sobre resistencia (RDS_(ON)).
• Las soluciones discretas son ineficientes ya que incluyen la disipación de energía a través de un diodo con el correspondiente aumento de la temperatura del tablero.
• Es difícil que los circuitos discretos incluyan una protección térmica adecuada para el elemento de paso FET. Como resultado, esa mejora crítica debe ser dejada de lado, o el diseño debe ser sustancialmente sobredimensionado para proporcionar un área operativa segura (SOA) adecuada.
• Un circuito discreto completo necesita muchos componentes y un espacio considerable en la placa, y la necesidad de robustez y fiabilidad del circuito de protección añade componentes adicionales.
• Aunque la velocidad de giro del voltaje de salida en diseños discretos es ajustable usando componentes de resistencia y condensador (RC), estos componentes deben ser dimensionados con una comprensión cuidadosa de la característica de la puerta del paso FET.

Incluso si una solución de componentes discretos fuera aceptable, sería limitada en sus características en comparación con una solución de CI. Estas últimas pueden incluir algunas o todas las muchas funciones adicionales anteriormente citadas, como se ve en el diagrama de bloques de eFuse de la figura 8. Además, la solución de CI es más pequeña, tiene un rendimiento más consistente y plenamente caracterizado, y ofrece una "tranquilidad" de aplicación que una solución de componentes múltiples no puede ofrecer, y lo hace a un costo menor. Obsérvese que la hoja de datos de la TPS26620 tiene varias docenas de gráficos de rendimiento y diagramas de tiempo que cubren una variedad de condiciones operativas, todos los cuales serían difíciles de crear para el enfoque de "hacer" discreto.

Figura 8: La simplicidad y apariencia externa de un eFuse con todas las funciones oculta su complejidad interna, que sería muy difícil de reproducir utilizando componentes discretos. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Hay otra razón crítica para comprar un CI eFuse estándar en lugar de tomar la ruta discreta del bricolaje: la aprobación regulatoria. Muchos fusibles -térmicos y eFuse- se utilizan para funciones relacionadas con la seguridad a fin de prevenir condiciones en que la corriente excesiva puede causar el sobrecalentamiento de los componentes y posiblemente el incendio, o causar daños a los usuarios.

Todos los fusibles térmicos convencionales están aprobados por los diversos organismos y normas de reglamentación para proporcionar un cierre de corriente a prueba de fallos cuando se utilizan adecuadamente. Sin embargo, sería muy difícil y lento, y probablemente incluso imposible, obtener las mismas aprobaciones para una solución discreta.

En cambio, muchos de los CI eFuse ya están aprobados. Por ejemplo, los eFuses de la serie TPS2662x están reconocidos por UL 2367 ("Protector de sobrecorriente de estado sólido de propósito especial") y certificados por IEC 62368-1 (Equipo de audio/video, información y tecnología de comunicación - Parte 1: Requisitos de seguridad). También cumplen con la norma IEC 61000-4-5 ("Compatibilidad electromagnética (EMC) - Parte 4-5: Técnicas de prueba y medición - Prueba de inmunidad a las sobretensiones"). Para ser certificados, estos eFuses son sometidos a pruebas de rendimiento en su función básica, así como en condiciones que incluyen temperaturas mínimas y máximas de funcionamiento, temperaturas mínimas y máximas de almacenamiento y transporte, extensas pruebas anormales y de resistencia, y ciclos térmicos.

Conclusión:

los eFusibles, que utilizan circuitos activos en lugar de un eslabón fusible para cortar el flujo de corriente, ayudan a los diseñadores a cumplir con los requisitos que incluyen un corte rápido, un auto-reinicio y un funcionamiento fiable en condiciones de baja corriente. También vienen con varias características de protección, así como tasas de giro ajustables. Como tal, son una valiosa adición al kit de ingeniería de componentes de protección de circuitos y sistemas.

Como se ha señalado, los fusibles electrónicos pueden sustituir a los fusibles térmicos convencionales, aunque en muchos casos proporcionan una protección localizada y se complementan con el fusible térmico. Al igual que el venerable fusible térmico, muchos de los eFuse también están certificados para su uso en funciones relacionadas con la seguridad, ampliando así su versatilidad y aplicabilidad.

Más información

1. "IEC 62368-1 está en camino: La nueva norma de seguridad para los equipos de TIC y AV"
2. "La fuente de alimentación correcta es crítica para cumplir con el nuevo mandato de seguridad de productos de consumo IEC/UL IEC-62368"
3. "Tutorial de fusibles"
4. "Cómo seleccionar y aplicar tecnologías inteligentes de detección y monitoreo de corrientes (en lugar de fusibles)"