Die traditionelle Thermosicherung hat etwas sehr Greifbares und Befriedigendes. Sie tut eines - nämlich den Stromfluss dauerhaft auf Null zu unterbrechen, wenn ein Überstrom-Fehlerzustand auftritt - sie tut es gut, sie tut es zuverlässig und verursacht keine Kopfschmerzen, während sie stillschweigend Wache hält. Sie kann auch visuell oder leicht mit einem Ohmmeter überprüft werden (Abbildung 1).
Abbildung 1: Der Status von konventionellen thermischen Sicherungen ist leicht zu überprüfen; dies kann oft visuell erfolgen, aber wenn dies nicht möglich ist, kann ein Ohmmeter für einen einfachen, eindeutigen Durchgangstest verwendet werden. (Bildquelle: Wololo.net)
Unzählige Milliarden sind täglich im Einsatz, als erste oder letzte Verteidigungslinie gegen verschiedene Ausfälle, die von der Beschädigung nachgeschalteter Komponenten bis hin zum Auslösen eines Feuers reichen können. Vielleicht mögen wir diese Schmelzsicherungen auch deshalb, weil sie eine urzeitliche Verbindung herstellen: Erhitzen und Schmelzen. Diese Tätigkeiten stellen eine Verbindung zurück zu unserer Zeit als Höhlenmenschen her. Oder vielleicht gefällt uns ihr nobles Verhalten, wenn sie sich selbstlos opfern, um die Quelle oder Last vor Schaden zu bewahren.
Was auch immer der Grund sein mag, die Realität sieht so aus, dass sich die Zeiten ändern, die Technologien voranschreiten und die Anwendungen sich ändern. Daher kann selbst die klassische Thermosicherung nicht alle sicherungsbezogenen Funktionen und Merkmale bieten, die zur Erfüllung der Anforderungen moderner Designs erforderlich sind. Die elektronische Sicherung, geschrieben als eFuse oder e-Fuse, gewinnt aufgrund ihrer einzigartigen Fähigkeiten, die in der klassischen thermischen Sicherung nicht verfügbar sind, schnell eine große Rolle beim Schutz von Teilschaltungen und Funktionen. Ihre Verwendung erfordert jedoch in vielen Fällen eine Änderung der „Denkweise“ des Entwicklers.
Was ist eine eFuse?
Obwohl sowohl thermische als auch eFuses das Wort „Sicherung“ enthalten, unterscheiden sich ihre Funktionsprinzipien dramatisch. Das Prinzip der thermischen Sicherung ist direkt: Strom erwärmt ihren Schmelzkörper über die Verlustleistung I2R und schmilzt es, wenn dieser Strom zu groß wird. Die Geschwindigkeit dieses Schmelzvorgangs und der Öffnung des Strompfades hängt davon ab, wie viel Überstrom fließt und wie lange.
Bei der eFuse fließt der Strom zur Last durch einen FET, während ein spezieller Stromsensor diesen Strom misst, indem er die Spannung über einen Messwiderstand überwacht. Wenn die gemessene Spannung einen Schwellenwert überschreitet, wird der FET abgeschaltet und der Stromfluss gestoppt (mit Ausnahme von FET-Leckströmen).
Als Folge dieser sehr unterschiedlichen Funktionsprinzipien haben die Thermosicherung und die eFuse auch sehr unterschiedliche Eigenschaften. Je nach Anwendung können die eFuse-Attribute einen Vorteil oder einen Nachteil darstellen. Dazu gehören:
- Sehr schneller Kurzschlussschutz: Die ultraschnelle Kurzschluss-Schutztechnik bietet eine grundlegende Sicherungsfunktion in Millisekunden oder sogar Mikrosekunden, viel schneller als eine thermische Sicherung.
- Der Überstromschutzwert ist ziemlich genau und wird je nach eFuse vom Benutzer über externe Widerstände oder werkseitig eingestellt; dies ist präziser als thermische Sicherungen, die (in erster Näherung) auf einer Kombination aus Strom und Zeit beruhen.
- Im Gegensatz zu einer einfachen Schmelzsicherungskomponente kann die standardmäßige eFuse den Stromfluss nach Abklingen der Überlast automatisch wiederherstellen.
- Eine eFuse kann auch verhindern, dass eine übermäßige Spannung an die Last angelegt wird, indem die Ausgänge bei schnellen Spannungserhöhungen geklemmt werden.
- Einige eFuses können den Einschaltstromstoß über einen zusätzlichen externen Kondensator unterdrücken, der die Anstiegsrate beim Einschalten auf den gewünschten Wert einstellt.
Diese Merkmale und Eigenschaften machen die eFuse zu einer guten Wahl für Anwendungen wie Hot-Swap-Steuerungen oder Kfz-Teilschaltungen, bei denen kurze, potenziell schädliche Strom- oder Spannungsspitzen auftreten können, die sofort unterdrückt werden müssen, wobei der Stromfluss jedoch wieder aufgenommen werden kann, sobald die Transienten abgeklungen sind.
Sie könnten Ihre eigene eFuse aus Basiskomponenten erstellen, und das wurde durchaus schon getan. Doch wie so oft bietet eine IC-Version eine verbesserte, konsistente Leistung in einem kleineren Paket und fügt gleichzeitig Funktionen hinzu, die in einer diskreten selbstgefertigten Version nur schwer zu bieten wären. Während eine eFuse-Basisschaltung im Prinzip nur einige wenige Komponenten benötigt, kann in der Praxis eine vollständige und funktionellere eFuse-Schaltung auch Dioden und Komponenten zur Unterdrückung von transienten Spannungen (TVS) sowie einige Widerstände und Kondensatoren benötigen.
Zum Beispiel kann das Hinzufügen der gängigen und sehr nützlichen Funktion des Verpolungsschutzes auf verschiedene Weise erfolgen: über eine zusätzliche Diode (mit ihrem unerwünschten Vorwärtsspannungsabfall), eine ideale Diodenschaltung mit einem P-MOSFET oder eine thermische Sicherung plus TVS-Diode (Abbildung 2). Stattdessen könnte eine Lösung mit weniger Designproblemen und besserer, vollständig charakterisierter Performance wie die TPS26620 von Texas Instruments verwendet werden. Es handelt sich um eine kleinere Lösung als eine diskrete Version, die nur 3 × 3 Millimeter (mm) misst.
Abbildung 2: Eine diskrete eFuse kann auf verschiedene Weise implementiert werden, z.B. als a) eine Diode, b) ein P-MOSFET, c) eine thermische Sicherung plus TVS-Diode oder d) eine eFuse TPS26620. (Bildquelle: Texas Instruments)
Es gibt noch einen weiteren guten Grund, sehr vorsichtig zu sein, wenn man den Weg über eine selbstentwickelte eFuse geht: die formelle Zertifizierung. Alle thermischen Sicherungen erfüllen die gesetzlichen Schutznormen und erleichtern so die Produktzulassung. Eine selbstkonstruierte eFuse erfüllt jedoch nicht von sich aus diese Anforderungen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Kriech- und Luftstrecken (die Funktionen der Spannung sind). Folglich müssen sie unabhängig zertifiziert werden. Diese Zertifizierung ist eine große Verpflichtung und Anstrengung, die durch die Verwendung einer der vielen zertifizierten eFuses vermieden werden kann. Beispielsweise ist die kürzlich angekündigte eFuse TCKE805NL von der Toshiba Semiconductor and Storage Corp. für 5 Ampere (A) nach IEC62368-1 zertifiziert, dem ziemlich neuen, auf Gefahrenbereiche basierenden Produktsicherheitsstandard für Informations- und Kommunikationstechnologie (ICT) sowie Audio-/Videogeräte (Abbildung 3).
Abbildung 3: Die TCKE805NL von Toshiba erfüllt den relativ neuen, auf Gefahrenbereiche basierenden Produktsicherheitsstandard IEC62368-1 für ICT- und AV-Geräte. (Bildquelle: Toshiba Semiconductor and Storage)
Fazit
Es ist unrealistisch zu glauben, dass eFuses die weit verbreiteten Schmelzsicherungen mit thermischer Verbindung vollständig ersetzen werden. Tatsache ist, dass jeder Typ unterschiedliche Merkmale und Vorteile aufweist und eine klare Rolle im modernen Schaltungsentwurf und Systemdesign spielt. Für viele Designer ist es die beste Option, beide zu verwenden. eFuses können lokal eingesetzt werden, während die thermische Sicherung als Rücklaufsperre für größere Systemfunktionen verwendet werden kann, wenn die Stromstärken und Spannungen höher sind und Stromkreis- oder Sicherheitsgefahren durch übermäßigen Stromfluss bestehen.
Die Verwendung von eFuses allein oder in Kombination mit thermischen Sicherungen erfordert jedoch eine Änderung der Denkweise bei der Erwägung von Sicherungsoptionen. Über die grundlegende Spezifikation für Stromgrenzwerte für beide Sicherungstypen hinaus sind die Parameter für die Bewertung von eFuses ganz anders als die für thermische Sicherungen und müssen in diesem Zusammenhang beurteilt werden. Wenn sie zusammen verwendet werden, bilden thermische Sicherungen und eFuses eine leistungsstarke Kombination von Funktionen, Merkmalen, Flexibilität und Sicherheit.
Weiterführende Literatur:
„Das richtige Netzteil ist für die Einhaltung der Vorgaben der neuen Norm IEC/UL IEC-62368 zur Sicherheit von Verbraucherprodukten von entscheidender Bedeutung“
https://www.digikey.de/de/articles/the-right-power-supply-to-meet-the-new-iec-ul-iec-62368-safety-mandate
„Leitfaden zu Sicherungen“
https://www.digikey.de/de/articles/fuse-tutorial
Externe Referenzen
Texas Instruments, SLVA862A, “Basics of eFuses”
http://www.ti.com/lit/pdf/slva862
Texas Instruments, “eFuse and hot swapcontrollers”
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”
https://www.cui.com/catalog/resource/iec-62368-1-an-introduction-to-the-new-safety-standard-for-ict-and-av-equipment.pdf
TÜV, “What You Need to Know about 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”
http://blog.optimumdesign.com/clearance-and-creepage-rules-for-pcb-assembly
Über den Autor
Bill Schweber ist ein Elektronikingenieur, der drei Lehrbücher über elektronische Kommunikationssysteme sowie Hunderte von Fachartikeln, Stellungnahmen und Produktbeschreibungen geschrieben hat. In früheren Funktionen arbeitete er als technischer Website-Manager für mehrere themenspezifische Websites für EE Times sowie als Executive Editor und Analog Editor bei EDN.
Bei Analog Devices, Inc. (einem führenden Anbieter von Analog- und Mischsignal-ICs) arbeitete Bill in der Marketingkommunikation (Öffentlichkeitsarbeit). Somit war er auf beiden Seiten des technischen PR-Bereichs tätig. Einerseits präsentierte er den Medien Produkte, Geschichten und Meldungen von Unternehmen und andererseits fungierte er als Empfänger derselben Art von Informationen.
Vor seinem Posten in der Marketingkommunikation bei Analog war Bill Mitherausgeber der renommierten Fachzeitschrift des Unternehmens und arbeitete auch in den Bereichen Produktmarketing und Anwendungstechnik. Zuvor arbeitete Bill bei Instron Corp. als Designer von Analog- und Leistungsschaltungen sowie von integrierten Steuerungen für Materialprüfmaschinen.
Er verfügt über einen MSEE (University of Massachusetts) und einen BSEE (Columbia University), ist ein registrierter Fachingenieur und hat eine Amateurfunklizenz für Fortgeschrittene. Darüber hinaus hat Bill Online-Kurse zu verschiedenen Themen geplant, verfasst und abgehalten, etwa zu MOSFET-Grundlagen, zur Auswahl von Analog/Digital-Wandlern und zur Ansteuerung von LEDs.
