Póngase cómodo con los eFuses: Tienen muchas características útiles

Hay algo muy tangible y satisfactorio en el fusible térmico tradicional. Hace una cosa, específicamente, cortar permanentemente el flujo de corriente a cero cuando ocurre una falla por sobrecorriente, lo hace bien, lo hace de manera confiable y no genera dolores de cabeza, ya que permanece silencioso en guardia. También se puede comprobar visual o fácilmente con un ohmímetro (Figura 1).

Figura 1: El estado del fusible térmico convencional es fácil de comprobar; a menudo se puede hacer visualmente, pero si no se puede hacer de esa manera, se puede usar un ohmímetro para una prueba de continuidad simple e inequívoca. (Fuente de la imagen: Wololo.net)

Innumerables miles de millones se utilizan a diario, como primera o última línea de defensa contra varias fallas que pueden hacer cualquier cosa, desde dañar los componentes posteriores hasta iniciar un incendio. Quizás también nos gusten estos dispositivos de eslabón fusible porque proporcionan una conexión primordial: calentamiento y fundición, dándonos un vínculo de regreso a nuestros días de hombre de las cavernas. O quizás nos guste su sentido de la nobleza, ya que se sacrifican desinteresadamente para salvar la fuente o la carga del daño.

Cualquiera sea la razón, la realidad es que los tiempos cambian, las tecnologías avanzan y las aplicaciones cambian. Por lo tanto, incluso el fusible térmico clásico no puede ofrecer todas las funciones y características relacionadas con el fusible necesarias para satisfacer las necesidades de los diseños modernos. El fusible electrónico, escrito como eFuse o e-Fuse, está ganando rápidamente un rol importante en la protección de subcircuitos y funciones debido a sus capacidades únicas que no están disponibles en el fusible térmico clásico. Pero usarlo requiere un cambio en la “mentalidad” de fundición por parte del diseñador en muchos casos.

¿Qué es un eFuse?

Aunque los fusibles térmicos y los fusibles electrónicos contienen la palabra "fusible", sus principios operativos son dramáticamente diferentes. El principio del fusible térmico es directo: la corriente calienta su eslabón fusible a través de la disipación I²R y lo funde si esa corriente es demasiado grande. La velocidad de esta acción de fundición y la apertura de la ruta de la corriente depende de la cantidad de exceso de corriente que fluya y durante cuánto tiempo.

En el eFuse, la corriente a la carga pasa a través de un transistor de efecto de campo (FET) mientras que un sensor de corriente dedicado mide esa corriente al monitorear el voltaje a través de una resistencia de detección. Cuando el voltaje detectado excede un límite de umbral, el FET se apaga y el flujo de corriente se detiene (excepto por cualquier corriente de fuga del FET).

Como consecuencia de estos principios operativos muy diferentes, el fusible térmico y el eFuse también tienen características muy diferentes. Dependiendo de la aplicación, los atributos del eFuse pueden ser un beneficio o un inconveniente. Estos incluyen:

• Protección contra cortocircuitos muy rápida: la técnica de protección contra cortocircuitos de ultra alta velocidad proporciona un rol de fundición básico en milisegundos o incluso microsegundos, mucho más rápido que un fusible térmico.
• El valor de protección contra sobrecorriente es bastante preciso y, según el eFuse, lo configura el usuario a través de resistencias externas o se configura de fábrica; esto es más preciso que los fusibles térmicos que se basan (en primer lugar) en una combinación de corriente y tiempo.
• A diferencia de un dispositivo de eslabón fusible básico, el eFuse estándar puede restablecer automáticamente el flujo de corriente después de que la sobrecarga disminuya.
• Un eFuse también puede evitar que se aplique un voltaje excesivo a la carga al bloquear las salidas para aumentos instantáneos de voltaje.
• Algunos eFuses pueden suprimir la corriente de entrada a través de un condensador externo adicional que establece la velocidad de respuesta de encendido en el valor deseado.

Estas características hacen que el eFuse sea una buena combinación para aplicaciones como controladores de intercambio en caliente o subcircuitos de automóviles, donde hay un pico transitorio breve, potencialmente dañino, de corriente o voltaje que debe suprimirse inmediatamente, pero el flujo de corriente puede reanudarse una vez que el pico transitorio ha disminuido.

Puede crear su propio eFuse a partir de los componentes básicos, y ya está listo. Sin embargo, como suele ser el caso, una versión IC ofrece un rendimiento mejorado y consistente en un paquete más pequeño, al mismo tiempo que agrega características que serían difíciles de proporcionar en una versión discreta DIY. Si bien un eFuse básico necesita solo unos pocos componentes en principio, en la práctica un circuito eFuse completo y más funcional también puede necesitar diodos y dispositivos de supresión de voltaje transitorio (TVS) además de algunas resistencias y condensadores.

Por ejemplo, se puede agregar la característica común y muy útil de la protección de voltaje inverso de varias maneras: a través de un diodo agregado (con su caída de diodo directa no deseada); un circuito de diodos ideal con un P-MOSFET; o un fusible térmico más un diodo TVS (Figura 2). En cambio, una solución con menos problemas de diseño y un rendimiento mejor y completamente caracterizado es el TPS26620 de Texas Instruments. También es una solución más pequeña que una versión discreta, que mide solo 3 × 3 milímetros (mm).

Figura 2: Un eFuse discreto se puede implementar de varias formas, usando un: a) diodo; (b) P-MOSFET; (c) fusible térmico más diodo TVS; o (d) eFuse TPS26620. (Fuente de la imagen: Texas Instruments)

Hay otra razón de peso para ser muy cauteloso al seguir la ruta del eFuse DIY: la certificación formal. Todos los fusibles térmicos cumplen con los estándares regulatorios de protección y, por lo tanto, facilitan la aprobación del producto. Sin embargo, un eFuse autoconstruido no cumplirá de manera inherente con estos requisitos, incluidos, entre otros, la distancia eléctrica y el espacio libre (que son funciones del voltaje). Como resultado, deben estar certificados de forma independiente. Esta certificación es un gran compromiso y esfuerzo que puede evitarse utilizando uno de los muchos eFuses certificados. Por ejemplo, el eFuse TCKE805NL de 5 amperios (A) recientemente anunciado de Toshiba Semiconductor and Storage Corp. está certificado de acuerdo al IEC62368-1, el estándar de seguridad de productos relativamente nuevo basado en peligros para la tecnología de la información y la comunicación (TIC) y equipos de audio/video (Figura 3).

Figura 3: El Toshiba TCKE805NL cumple con el estándar de seguridad de productos IEC62368-1 relativamente nuevo basado en peligros para equipos de TIC y AV. (Fuente de la imagen: Toshiba Semiconductor and Storage)

Conclusión

No es realista pensar que los eFuses reemplazarán por completo los eslabones fusibles térmicos ampliamente utilizados. La realidad es que cada tipo tiene características y beneficios distintos, y un rol claro que desempeñar en el diseño moderno de circuitos y sistemas. Para muchos diseñadores, la mejor opción es utilizar ambos. Los eFuses se pueden usar localmente, mientras que el fusible térmico se puede usar como un tope para funciones de sistema más grandes donde los niveles de corriente y los voltajes son más altos y hay peligros de circuito o de seguridad por un flujo de corriente excesivo.

Sin embargo, el uso de eFuses solos o en combinación con fusibles térmicos requiere un cambio de mentalidad al considerar las opciones de fundición. Más allá de la especificación básica para el valor límite de corriente para ambos tipos de fusibles, los parámetros para evaluar los eFuses son bastante diferentes a los de los fusibles térmicos y deben juzgarse en ese contexto. Cuando se usan juntos, los fusibles térmicos y los eFuses forman una poderosa combinación de funciones, características, flexibilidad y certeza.

Otras lecturas:

“La fuente de alimentación adecuada es esencial para cumplir con el nuevo requerimiento de seguridad IEC-62368 del IEC/UL para productos de consumo”

https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2019/dec/the-right-power-supply-to-meet-the-new-iec-ul-iec-62368-safety-mandate

“Tutorial sobre fusibles”

https://www.digikey.com/en/articles/fuse-tutorial

Referencias externas

Texas Instruments, SLVA862A, “Basics of eFuses” (Conceptos básicos de los eFuses)

http://www.ti.com/lit/pdf/slva862

Texas Instruments, “eFuse and hot swap controllers” (Controladores eFuse y hot swap)

http://www.ti.com/power-management/power-switches/efuse-hotswap-controllers/overview.html

CUI Devices, “IEC 62368-1: An Introduction to the New Safety Standard for ICT and AV Equipment” (IEC 62368-1: Una introducción al nuevo estándar de seguridad para equipos de TIC y AV)

https://www.cui.com/catalog/resource/iec-62368-1-an-introduction-to-the-new-safety-standard-for-ict-and-av-equipment.pdf

TUV, “What You Need to Know about IEC 62368-1” (Lo que necesita saber sobre IEC 62368-1)

https://insights.tuv.com/blog/what-you-need-to-know-about-iec62368-1

Optimum Design Associates, “Clearance and Creepage Rules for PCB Assembly” (Reglas de espacio libre y distancia eléctrica para el ensamblaje de PCB)

http://blog.optimumdesign.com/clearance-and-creepage-rules-for-pcb-assembly