¿Valen la pena las características y las capacidades de los fusibles electrónicos por la complejidad que agregan? Pregunte a los diseñadores automotrices

El enlace del fusible básico activado térmicamente, más conocido como fusible, ha estado con nosotros desde los primeros días de la electricidad y la energía eléctrica. Un fusible hace una cosa y la hace bien: pasa de ser un conductor de corriente casi perfecto a un circuito abierto casi ideal en un período que va desde unos pocos milisegundos hasta varios segundos (según el modelo) cuando hay una corriente excesiva y un calor resultante para fundir su elemento.

Una vez seleccionado el fusible, instalarlo y utilizarlo es un ejercicio sencillo, ya que no hay opciones de conexión, pasos de inicialización ni ajustes de configuración. Se trata simplemente de un dispositivo de dos terminales que proporciona una protección crítica del circuito y permite que un diseño cumpla más fácilmente con muchos mandatos normativos y de seguridad.

Los fusibles están disponibles en innumerables configuraciones físicas y clasificaciones de corriente, con algunas más comunes que otras. Entre los estilos de fusibles más comunes se encuentran el fusible de vidrio 3AG (1/4 de pulgada [in] de diámetro y 1 pulgada y ¼ de longitud), que suele utilizarse en productos comerciales e industriales más pequeños, así como en algunos productos de línea para el consumidor, y el fusible de hoja, muy utilizado en aplicaciones automotrices (Figura 1).

Figura 1: El estilo del fusible 3AG fue uno de los primeros estilos de fusibles para el mercado de masas y todavía se lo utiliza (izquierda); la industria automotriz acabó por utilizar cuerpos de fusibles de hoja más finos (derecha). (Fuente de la imagen: Littelfuse, Inc.)

Irónicamente, la designación 3AG es la abreviatura en inglés de “vidrio para aplicación automotriz de tamaño 3” y se diseñó originalmente en la década de 1930 para automóviles. Sin embargo, a medida que aumentaba el número de fusibles en un vehículo, la industria automotriz abandonó el 3AG y desarrolló los fusibles de hoja.

A pesar de sus muchos atributos positivos y su éxito sin precedentes, como demuestran los millones (¿o son miles de millones?) de estos fusibles utilizados cada año, los tiempos y las necesidades de diseño cambian. En los últimos años, el fusible electrónico (normalmente escrito como eFuse o e-Fuse) se utilizó mucho como alternativa —o complemento— del fusible. Algunos diseños utilizan ambos: los fusibles electrónicos para la protección de circuitos localizados y los fusibles térmicos para la protección al nivel del sistema.

Una de las principales características del fusible electrónico básico es su rápido tiempo de respuesta de milisegundos o menos, pero sus atributos no terminan ahí. Aunque muchos fusibles electrónicos se dirigían inicialmente a la protección de subcircuitos, como las aplicaciones de intercambio en caliente, algunos fusibles electrónicos pronto obtuvieron la certificación de las correspondientes normas UL (de Underwriters Laboratories) y las IEC (de la Comisión Electrotécnica Internacional), lo que les permitió su aprobación para la protección relacionada con la seguridad.

Los fusibles electrónicos van más allá del corte de corriente básico

Como los fusibles electrónicos son dispositivos de estado sólido con base de silicona, pronto siguieron el camino de otros IC (circuitos integrados) básicos agregando características y funcionalidades adicionales. Entre ellas se encuentran los umbrales de corriente programables por el usuario, la salida de enclavamiento, el reintento automático opcional, la señal de buena potencia, el monitoreo del nivel de corriente, el bloqueo de la corriente inversa y el apagado térmico.

Por ejemplo, el TPS25210ARPWR de Texas Instruments es un fusible electrónico de 2.7 a 5.7 voltios, 4 amperios (A) y 31 miliohmios (mΩ) con un tiempo de respuesta de 500 nanosegundos (ns) (típico) (Figura 2). El usuario puede ajustar el límite de corriente desde 0.5 A hasta 4.44 A, a través de una resistencia externa de detección de corriente.

El TPS25210ARPWR es un fusible electrónico básico para niveles de corriente moderados; incluye algunas características útiles más allá del corte básico de la corriente cuando se supera su umbral. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Además de realizar una fusión básica, este fusible electrónico brinda protección contra las sobrecargas, los cortocircuitos, los aumentos de voltaje, la polaridad inversa y la corriente de irrupción excesiva. Para aplicaciones con requisitos específicos de corriente de irrupción, los diseñadores pueden establecer la velocidad de respuesta de la salida con un único condensador externo. Las cargas están protegidas de las condiciones de sobretensión de entrada mediante el bloqueo de la salida a un voltaje máximo seguro, fijo y seleccionable por clavija.

Los fusibles electrónicos como este ofrecen una larga lista de características y han hecho que la función de fusión, que de otro modo sería “tonta”, sea más inteligente, más flexible y más informativa y útil para el sistema que se encarga de proteger. Esto contrasta fuertemente con el fusible térmico convencional y su clasificación de corriente fija.

No es un fusible electrónico básico

La funcionalidad limitada y la falta de conectividad de I/O (entrada/salida) del enlace del fusible no se corresponden con las necesidades de los vehículos inteligentes y conectados en red de la actualidad. En cambio, las numerosas capacidades de los fusibles electrónicos los hacen especialmente atractivos para las aplicaciones automotrices. Por esta razón, la industria ha desarrollado fusibles electrónicos que cumplen con las estrictas calificaciones de las aplicaciones automotrices e incorporan muchas capacidades adicionales deseadas.

Un ejemplo es el recientemente presentado VNF1048F de STMicroelectronics, un controlador de conmutación de lado alto con calificación AEC-Q100 destinado a aplicaciones de distribución de energía automotriz. Combina una protección del sistema y características de diagnóstico mejoradas con la tecnología de fusibles de silicona “I²-t” de STMicroelectronics (Figura 3).

Figura 3: El VNF1048F, con calificación AEC-Q100, es un fusible electrónico, pero también incluye un controlador de conmutación de lado alto junto con muchas otras características y opciones de conectividad. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics).

Compatible con subsistemas de alimentación para automóviles de 12, 24 y 48 voltios, la flexibilidad del VNF1048F lo hace idóneo para las últimas arquitecturas electrónicas/eléctricas “zonales” para automóviles que aumentan la eficiencia y la confiabilidad, al mismo tiempo que admiten una mayor electrificación y funciones adicionales para la conducción inteligente.

La característica I²-t proporciona una protección de sobrecorriente rápida, reiniciable y confiable. Los fusibles de silicona también ayudan a simplificar los arneses de cableado del vehículo y a reducir el peso eliminando las cajas de fusibles accesibles para el usuario y el cableado asociado.

El VNF1048F, cargado de funciones y adaptable, cuenta con una SPI (interfaz periférica serial) de 32 bits compatible con niveles lógicos de CMOS (semiconductores de metal - óxido complementario) de 3.3 voltios y 5 voltios, lo que permite que un microcontrolador receptor configure y monitoree las características de protección y diagnóstico del sistema. Estas características incluyen la protección contra el bajo voltaje y la sobretemperatura, una bomba de carga de dos etapas para el controlador de MOSFET (transistor de efecto de campo semiconductor de metal - óxido) externo, además de protección térmica de MOSFET, apagado por desaturación y configuración de fusibles I²-t.

La detección digital de corriente de alta precisión está incorporada mediante una resistencia externa de derivación de lado alto. El dispositivo también integra convertidores ADC (analógico a digital) para monitorear el V_NTC (voltaje del termistor de detección de temperatura), el V_OUT (voltaje de salida) y el V_DS (voltaje de drenaje a fuente) del MOSFET.

Un inteligente controlador de características completas y altamente funcional como el VNF1048F ofrece algo más que una integración de funciones algo relacionadas. También incorpora una sofisticada máquina de estado que gestiona y asegura que su rendimiento, acciones y reacciones se ajusten a las necesidades del sistema que está monitoreando (Figura 4).

Figura 4: El diagrama de estado para el funcionamiento y la secuenciación del VNF1048F demuestra claramente cómo y por qué es mucho más que un fusible electrónico básico. (Fuente de la imagen: STMicroelectronics).

En consonancia con su alto nivel de funcionalidad e integración, el VNF1048F está documentado en una hoja de datos de 52 páginas. Cualquiera que planee utilizar este dispositivo debe estar preparado para estudiar seriamente los numerosos modos, funciones, inicializaciones y ajustes que admite este dispositivo; hay muchos deberes que hacer antes de aplicarlo.

Este último punto insinúa las posibles preocupaciones que existen cuando se utilizan componentes tan sofisticados. Una de las virtudes del fusible térmico sencillo y anticuado es que, una vez que se selecciona el dispositivo adecuado, casi no requiere más esfuerzo de diseño. Basta con colocar el fusible en el circuito y ya está: no hay funciones que inicializar, ni parámetros que establecer, ni decisiones de protocolo que tomar, ni descargas que realizar a través de un enlace. En cambio, los fusibles electrónicos avanzados exigen más tiempo y esfuerzo de diseño, así como una mayor capacidad de depuración.

Conclusión

Es parte del eterno dilema del diseño de ingeniería: ¿se mantiene la sencillez y se acepta una flexibilidad limitada, o se apuesta por un componente más avanzado, sabiendo que requerirá más trabajo de implementación? En el caso de los fusibles electrónicos, y gracias en gran parte a los crecientes requisitos de complejidad y flexibilidad de los diseños automotrices, parece que las dificultades merecen la pena.

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