วิธีการใช้ eFuses เพื่อออกแบบโซลูชันป้องกันการลัดวงจร แรงดันไฟเกิน และการเกิดความร้อน

เนื่องจากมีการใช้งานอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างแพร่หลายในบ้าน สำนักงาน และอุตสาหกรรม ความจำเป็นในการป้องกันวงจรที่มีขนาดกะทัดรัด ต้นทุนต่ำ ความเร็วสูง ตั้งค่าใหม่ได้ และปรับได้จึงมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อย ๆ เพื่อรับรองความปลอดภัยของผู้ใช้และระยะเวลาทำงานของอุปกรณ์สูงสุด วิธีการใช้งานฟิวส์แบบทั่วไปได้รับผลกระทบจากพิกัดกระแสที่ไม่แน่ชัดและเวลาตอบสนองที่ช้า และโดยทั่วไปแล้วจะมีปัญหากับความไม่สะดวกในการเปลี่ยนฟิวส์

แม้ว่าจะเป็นไปได้ที่จะออกแบบโซลูชันการป้องกันที่เหมาะสมตั้งแต่ต้น แต่ก็ไม่ง่ายที่จะบรรลุข้อกำหนดเวลาแฝงที่ต้องการและความแม่นยำในอุปกรณ์ที่รีเซ็ตได้ นอกจากนี้ ยังคาดว่าโซลูชันเดียวกันนี้จะมีคุณสมบัติการป้องกันกระแสไฟเกินที่ปรับได้ อัตราสูงสุดของการเปลี่ยนแปลงของเอาต์พุต (Slew Rate) ของกระแสไฟพุ่งเข้าที่ปรับได้ การปรับแรงดันไฟเกิน (Overvoltage Clamping) การกันกระแสไฟย้อนกลับ และการป้องกันความร้อน การออกแบบดังกล่าวต้องการส่วนประกอบแบบแยกชิ้นจำนวนมากและ IC หลายตัว ซึ่งใช้พื้นที่มากบนบอร์ดพีซี ค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้น และทำให้เวลาในการออกสู่ตลาดล่าช้า ความยากที่เพิ่มขึ้นคือความต้องการความน่าเชื่อถือในระดับสูง และการปฏิบัติตามข้อกำหนดมาตรฐานความปลอดภัยระดับสากล เช่น IEC/UL62368-1 และ UL2367

เพื่อตอบสนองความต้องการเหล่านี้ นักออกแบบสามารถเปลี่ยนไปใช้ IC ฟิวส์อิเล็กทรอนิกส์ (eFuse) แทนเพื่อให้การป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรระดับนาโนวินาที (ns) ซึ่งเร็วกว่าฟิวส์ทั่วไปหรืออุปกรณ์ PPTC ประมาณหนึ่งล้านเท่า

บทความนี้อธิบายว่าทำไมจึงต้องมีการป้องกันวงจรที่เร็วกว่า แข็งแกร่งกว่า กะทัดรัดกว่า เชื่อถือได้ และคุ้มค่ากว่า ก่อนที่จะกล่าวถึงว่า eFuses คืออะไรและมีวิธีการทำงานอย่างไร จากนั้นจะแนะนำตัวเลือก eFuse หลายตัวจาก Toshiba Electronic Devices และ Storage Corporation และแสดงให้เห็นว่าพวกเขาสนับสนุนความต้องการของนักออกแบบในการปกป้องที่คุ้มค่า กะทัดรัด และทนทานได้อย่างไร

ความต้องการในการป้องกันวงจร

การป้องกันสภาวะกระแสไฟเกิน, การลัดวงจร, โอเวอร์โหลด และแรงดันไฟเกินคือความต้องการในการป้องกันวงจรพื้นฐานของระบบอิเล็กทรอนิกส์ ระหว่างสภาวะกระแสเกิน กระแสเกินจะไหลผ่านตัวนำ ซึ่งอาจทำให้เกิดความร้อนสูง และเสี่ยงต่อการเกิดเพลิงไหม้หรือความเสียหายต่ออุปกรณ์ สภาวะกระแสไฟเกินอาจเกิดจากไฟฟ้าลัดวงจร โหลดมากเกินไป ความผิดพลาดในการออกแบบ ส่วนประกอบทำงานผิดพลาด และอาร์คหรือการลัดวงจรลงดิน (Ground fault) เพื่อป้องกันวงจรและผู้ใช้อุปกรณ์ การป้องกันกระแสเกินจึงจำเป็นต้องทำงานทันที

ภาวะโอเวอร์โหลดจะเกิดขึ้นเมื่อกระแสไฟที่มากเกินไปและไม่เป็นอันตรายในทันที แต่ผลที่ตามมาในระยะยาวอาจ ซึ่งไม่ปลอดภัยพอ ๆ กับสภาวะกระแสไฟเกิน มีการป้องกันการโอเวอร์โหลดด้วยการหน่วงเวลาต่าง ๆ ตามระดับการโอเวอร์โหลด เมื่อสภาวะโอเวอร์โหลดเพิ่มขึ้น ระยะเวลาการหน่วงเวลาจะลดลง ซึ่งสามารถป้องกันการโอเวอร์โหลดได้ด้วยฟิวส์หน่วงเวลาหรือฟิวส์แบบขาดช้า

สภาวะแรงดันไฟเกินอาจส่งผลให้การทำงานของระบบไม่เสถียร และยังทำให้เกิดความร้อนมากเกินไป ซึ่งเพิ่มโอกาสการเกิดไฟไหม้ แรงดันไฟเกินสามารถก่อให้เกิดอันตรายต่อผู้ใช้ระบบหรือผู้ปฏิบัติงานทันที เช่นเดียวกับกระแสเกิน การป้องกันแรงดันไฟเกินจำเป็นต้องดำเนินการอย่างรวดเร็วเพื่อตัดแหล่งกำเนิด

การใช้งานบางอย่างได้รับประโยชน์จากฟังก์ชันการป้องกันเพิ่มเติมที่นอกเหนือจากการป้องกันพื้นฐาน เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่ปลอดภัยและมีเสถียรภาพ รวมถึงระดับการป้องกันแรงดันไฟเกินและกระแสเกินที่ปรับได้ การควบคุมกระแสไฟพุ่งเข้าในการสตาร์ทเครื่อง การป้องกันความร้อน และการกั้นกระแสไฟย้อนกลับ อุปกรณ์ป้องกันวงจรต่าง ๆ สามารถตอบสนองความต้องการในการป้องกันวงจรเหล่านี้ได้หลากหลาย

eFuse ทำงานอย่างไร

IC eFuse ให้ฟังก์ชันการป้องกันที่ครอบคลุมมากขึ้นและระดับการควบคุมที่สูงกว่าเมื่อเทียบกับฟิวส์ทั่วไปและอุปกรณ์ PPTC (ภาพที่ 1) นอกจากการป้องกันไฟฟ้าลัดวงจรความเร็วสูงแล้ว eFuses ยังมีการปรับแรงดันไฟเกินที่แม่นยำ การป้องกันกระแสไฟเกินที่ปรับได้ แรงดันไฟที่ปรับได้ และการควบคุมอัตราสูงสุดของการเปลี่ยนแปลงของกระแสเอาต์พุต เพื่อลดกระแสไหลเข้าและการปิดระบบระบายความร้อน ยังมีรุ่นที่รวมการปิดกั้นกระแสย้อนกลับในตัว

รูปที่ 1: eFuse สามารถแทนที่ฟิวส์ทั่วไปหรืออุปกรณ์ PPTC และให้ฟังก์ชันการป้องกันเพิ่มเติมและระดับการควบคุมที่สูงขึ้น (แหล่งที่มาภาพ: Toshiba)

หัวใจสำคัญของประสิทธิภาพของ eFuse คือ มอสเฟตกําลัง (Power-MOSFET) ภายในไอซีที่มีความต้านทาน "ON" ซึ่งโดยทั่วไปจะอยู่ในช่วงมิลลิโอห์ม (mΩ) และสามารถรองรับกระแสไฟขาออกสูงได้ (รูปที่ 2) ในระหว่างการทำงานปกติ ค่าความต้านทาน ON ที่ต่ำมากของมอสเฟตกำลัง ทำให้มั่นใจได้ว่าแรงดันไฟฟ้าที่ VOUT เกือบจะเท่ากับแรงดันไฟฟ้าที่ VIN เมื่อตรวจพบการลัดวงจรมอสเฟตจะปิดอย่างรวดเร็ว และเมื่อระบบกลับสู่สภาวะปกติจะใช้มอสเฟต เพื่อควบคุมกระแสไฟเข้า

รูปที่ 2: มอสเฟตกำลังความต้านทาน ON ต่ำ (ตรงกลางด้านบน) เป็นกุญแจสำคัญในการให้การดำเนินการที่รวดเร็วและความสามารถในการเริ่มต้นที่ควบคุมได้ของ eFuses (แหล่งที่มาภาพ: Toshiba)

นอกจากมอสเฟตกำลังแล้ว ลักษณะที่เป็นแพสซีพของ eFuses ยังช่วยให้เกิดข้อได้เปรียบด้านประสิทธิภาพมากมาย (ตารางที่ 1) ฟิวส์และ PPTC แบบดั้งเดิมเป็นอุปกรณ์แบบพาสซีฟที่มีความแม่นยำต่ำเมื่อเทียบกับกระแสไฟตัดวงจร อุปกรณ์เหล่านั้นพึ่งพาการให้ความร้อนแบบจูล ซึ่งต้องใช้เวลาในการพัฒนาและเพิ่มเวลาตอบสนอง ในทางกลับกัน eFuse จะคอยตรวจสอบกระแสอย่างต่อเนื่อง และเมื่อถึงระดับขีดจำกัดกระแสไฟที่ปรับได้ถึง 1.6 เท่า การป้องกันการลัดวงจรจะเริ่มต้นขึ้น เมื่อเริ่มต้นแล้ว เทคนิคการป้องกันการลัดวงจรความเร็วสูงพิเศษใน eFuses จะลดกระแสไฟให้ใกล้ศูนย์ในเวลาเพียง 150 ถึง 320 ns เมื่อเทียบกับเวลาตอบสนอง 1 วินาทีหรือนานกว่าของฟิวส์และ PPTC เวลาตอบสนองที่รวดเร็วนี้ช่วยลดความเครียดของระบบ ซึ่งจะช่วยเพิ่มความทนทาน เนื่องจาก eFuse ไม่ได้ถูกทำลายจากไฟฟ้าลัดวงจร จึงสามารถใช้ได้หลายครั้ง

ตารางที่ 1: IC eFuse ให้ความเร็วในการป้องกันที่เร็วขึ้น ระดับความแม่นยำที่สูงขึ้น และชุดฟังก์ชันการป้องกันที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้นเมื่อเปรียบเทียบกับฟิวส์และอุปกรณ์ PPTC (poly switch) (แหล่งที่มาของตาราง: Toshiba)

เมื่อเทียบกับฟิวส์ทั่วไปซึ่งเป็นอุปกรณ์แบบใช้ครั้งเดียว eFuses ช่วยลดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษาและลดเวลาในการกู้คืนและซ่อมแซม มีการกู้คืนจากสภาวะความผิดปกติด้วย eFuses สองประเภท: การกู้คืนอัตโนมัติจะกลับสู่การทำงานปกติเมื่อเงื่อนไขความผิดปกติถูกลบออก และการป้องกันแลตซ์ที่กู้คืนเมื่อมีการใช้สัญญาณภายนอกหลังจากขจัดข้อบกพร่อง eFuse มาพร้อมกับการป้องกันแรงดันไฟเกินและความร้อน แต่ฟิวส์ทั่วไปหรือ PPTC ไม่มีคุณสมบัตินี้

การเลือก eFuses

การเลือก eFuse ที่เหมาะสมมักจะเริ่มต้นด้วยรางจ่ายไฟ สำหรับรางจ่ายไฟขนาด 5 ถึง 12 โวลต์ eFuse รุ่น TCKE8xx Series เป็นตัวเลือกที่ดี ได้รับการจัดอันดับสำหรับอินพุตสูงสุด 18 โวลต์และ 5 แอมแปร์ (A) ได้รับการรับรอง IEC 62368-1 และมาในแพ็คเกจ WSON10B ที่มีขนาด 3.0 mm x 3.0 mm x สูง 0.7 mm โดยมีระยะพิทช์ 0.5 mm (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: Toshiba eFuses ในแพ็คเกจ WSON10B แบบยึดติดบนพื้นผิวขนาด 3 mm x 3 mm สูง 0.7 mm (แหล่งที่มาภาพ: Toshiba)

ซีรี่ส์ TCKE8xx มอบความยืดหยุ่นให้กับนักออกแบบ ซึ่งรวมถึงขีดจำกัดกระแสไฟเกินที่ปรับได้ที่กำหนดโดยตัวต้านทานภายนอก การควบคุมอัอัตราสูงสุดของการเปลี่ยนแปลงของเอาต์พุต (Slew Rate) ที่ปรับได้ซึ่งกำหนดโดยตัวเก็บประจุภายนอก การป้องกันแรงดันไฟเกินและแรงดันต่ำ การปิดด้วยความร้อน และขาควบคุมกระแสย้อนกลับภายนอกที่เป็นอุปกรณ์เสริมการปิดกั้น FET

นักออกแบบสามารถเลือกระดับปรับสัญญาณได้สามระดับ 6.04 โวลต์สำหรับระบบ 5 โวลต์ (เช่น TCKE805NL,RF), 15.1 โวลต์สำหรับระบบ 12 โวลต์ (รวมถึง TCKE812NL,RF) และไม่มีการปรับสัญญาณ (เช่น theTCKE800NL, RF) (รูปที่ 4) การป้องกันแรงดันไฟเกินมีให้เลือกทั้งแบบลองใหม่อัตโนมัติ (Auto-Retr) และปรับสัญญาณ (Clamping) ขึ้นอยู่กับรุ่น และระดับปรับสัญญาณกำหนดให้มีความเที่ยงตรง 7% การล็อกเอาต์ภายใต้แรงดันไฟฟ้าสามารถกำหนดได้โดยใช้ตัวต้านทานภายนอก การปิดระบบความร้อนช่วยปกป้อง IC จากสภาวะที่มีอุณหภูมิสูงเกินไปโดยการปิด eFuse เมื่ออุณหภูมิเกิน 160 องศาเซลเซียส (°C) รุ่นที่มีระบบป้องกันความร้อนแบบกู้คืนอัตโนมัติจะรีสตาร์ทเมื่ออุณหภูมิลดลง 20 °C

รูปที่ 4: eFuses รุ่น TCKE8xx มีแรงดันปรับสัญญาณ 6.04 โวลต์สำหรับระบบ 5 โวลต์ (TCKE805), 15.1 โวลต์สำหรับระบบ 12 โวลต์ (TCKE812) และไม่มีการปรับสัญญาณ (TCKE800) (แหล่งที่มาภาพ: Toshiba)

เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เสถียร eFuses เหล่านี้จึงมีตัวเลือกสำหรับนักออกแบบในการตั้งค่าอัตราการตอบสนองต่อกระแสไฟและแรงดันไฟฟ้าเมื่อเริ่มทำงาน (ภาพที่ 5) เมื่อเปิดเครื่อง กระแสไฟพุ่งเข้าปริมาณมากอาจสามารถไหลเข้าสู่ตัวเก็บประจุเอาต์พุตและทำให้ eFuse ไม่ทำงาน ส่งผลให้การทำงานไม่เสถียร ตัวเก็บประจุภายนอกบนขา dV/dT ของ eFuse กำหนดอัตราการตอบสนองเริ่มต้นสำหรับแรงดันไฟและกระแสไฟ ป้องกันการการตัดวงจรแบบไม่จำเป็น

รูปที่ 5: นักออกแบบสามารถกำหนดอัตราการตอบสนองตอบสนองของแรงดันและกระแสไฟ เพื่อให้การทำงานของ eFuse มีเสถียรภาพ (แหล่งที่มาภาพ: Toshiba)

นักออกแบบสามารถเพิ่มมอสเฟตกำลัง N-channel ภายนอกสำหรับการบล็อกกระแสย้อนกลับ, ไดโอดป้องกันแรงดันไฟกระชากชั่วคราว (TVS) สำหรับการป้องกันจากแรงดันไฟฟ้าขาชเ้าชั่วคราว และไดโอดชอทท์กี้ (SBD) สำหรับการป้องกันจากแรงดันไฟลบสูงชั่วคราวบนเอาต์พุตของ eFuse (รูปที่ 6) ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดการใช้งาน การปิดกั้นกระแสไฟย้อนกลับอาจมีประโยชน์ในฟการใช้งานแบบต่าง ๆ เช่น ดิสก์ไดรฟ์แบบ Hot-swap และเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ มอสเฟตภายนอกถูกควบคุมโดยขา EFET

จำเป็นต้องมีการเพิ่มไดโอด TVS ในระบบที่พบแรงดันไฟฟ้าชั่วขณะบนบัสจ่ายไฟที่เกินพิกัดสูงสุดของ eFuse ในการใช้งานบางประเภท แรงดันไฟลบอาจปรากฏขึ้นที่เอาต์พุตของ eFuse และ SBD ที่เป็นอุปกรณ์เสริมจะปกป้อง IC และอุปกรณ์อื่น ๆ ที่ด้านโหลด รวมถึง eFuse Toshiba ขอแนะนำมอสเฟตภายนอก SSM6K513NU,LF, ไดโอด TVS รุ่น DF2S23P2CTC,L3F และไดโอด SBD รุ่น CUHS20S30,H3F

รูปที่ 6: การใช้งานทั่วไปสำหรับ eFuses รุ่น TCKE8xx series ที่มีไดโอด TVS เสริมสำหรับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าขาเข้าชั่วคราว SBD สำหรับการป้องกันแรงดันไฟลบที่ขาเอาต์พุต และมอสเฟตภายนอกสำหรับการกั้นกระแสย้อนกลับ (แหล่งที่มาภาพ: Toshiba)

eFuse พร้อมการปิดกั้นกระแสย้อนกลับในตัวมอสเฟต

สำหรับการใช้ที่ต้องการโซลูชันขนาดเล็กที่สุดที่เป็นไปได้และการปิดกั้นกระแสย้อนกลับ นักออกแบบสามารถหันไปใช้ eFuse รุ่น TCKE712BNL,RF ที่มีมอสเฟตภายในสองตัว (รูปที่ 7) ไม่มีลดประสิทธิภาพที่เกี่ยวข้องกับมอสเฟตภายในตัวที่สอง ค่าความต้านทาน ON รวมกันของมอสเฟตทั้งสองตัวมีค่าเพียง 53 mΩ ซึ่งใกล้เคียงกับเมื่อใช้มอสเฟตแบบบล็อกภายนอก

รูปที่ 7: eFuse รุ่น TCKE712BNL,RF ประกอบด้วยมอสเฟตสองตัว (ตรงกลางด้านบน) เพื่อการปิดกั้นกระแสย้อนกลับโดยไม่ต้องใช้มอสเฟตภายนอก (แหล่งที่มาภาพ: Toshiba)

เมื่อเทียบกับการออกแบบแรงดันไฟฟ้าคงที่ในรุ่น TCKE8xx Series แล้ว TCKE712BNL,RF มีช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าตั้งแต่ 4.4 ถึง 13.2 โวลต์ เพื่อรองรับแรงดันไฟฟ้าขาเข้าที่เป็นไปได้ในช่วงนี้ มีขาป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกิน (OVP) ที่ช่วยให้นักออกแบบสามารถตั้งค่าระดับการป้องกันแรงดันเกินเพื่อรองรับความต้องการเฉพาะของระบบ นอกจากนี้ TCKE712BNL ยังมีขา FLAG เพิ่มเติมซึ่งให้เอาต์พุตสัญญาณเอาต์พุตแบบ Open Drain ซึ่งบ่งชี้ว่ามีสภาวะผิดปกติ

สรุป

การสร้างความมั่นใจในวงจรและการป้องกันผู้ใช้ในระบบอิเล็กทรอนิกส์เป็นสิ่งสำคัญ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่ออุปกรณ์มีจำนวนมากขึ้นและมีโอกาสเกิดความล้มเหลวเพิ่มขึ้น ในเวลาเดียวกัน นักออกแบบต้องรักษาให้ต้นทุนและปริมาณการใช้งานน้อยที่สุด ในขณะเดียวกันก็บรรลุความยืดหยุ่นในการป้องกันสูงสุด และปฏิบัติตามมาตรฐานการป้องกันที่เหมาะสม

ด้วยการทำงานที่รวดเร็วเป็นพิเศษ ความแม่นยำ ความน่าเชื่อถือ และความสามารถในการใช้งานซ้ำได้ eFuses ไม่เพียงแต่ให้ประสิทธิภาพสูง ยืดหยุ่น เป็นทางเลือกแทนฟิวส์ทั่วไปและอุปกรณ์ PPTC เท่านั้น แต่ยังมาพร้อมกับคุณสมบัติในตัวที่หลากหลายซึ่งช่วยลดความยุ่งยากอย่างมาก งานออกแบบวงจรและป้องกันผู้ใช้

บทความแนะนำ

1. วิธีการเลือกและใช้เทคโนโลยีการตรวจจับและติดตามกระแสไฟอัจฉริยะ (แทนฟิวส์)
2. วิธีการออกแบบวงจรป้องกันให้สอดคล้องกับมาตรฐาน AV/ICT ใหม่ใน IEC 62368-1