Autore: Mamadou Diallo, Responsabile Linea Prodotti, onsemi
L’affidabilità è fondamentale in tutte le moderne applicazioni automobilistiche e industriali. Dalle unità di controllo zonale per automotive al controllo numerico computerizzato nelle applicazioni industriali, non importa quanto semplice o complesso sia il prodotto finale, ma se non si può fare affidamento su di esso, la reputazione del produttore sarà quasi certamente danneggiata. A questo si aggiungono i costi delle riparazioni in garanzia e anche eventuali richiami.
Ad ogni modo, i circuiti elettronici prima o poi si guasteranno, probabilmente a causa di influenze esterne o per il degrado dei componenti nel tempo. In queste situazioni, una buona prassi di progettazione raccomanda l’inclusione di dispositivi di protezione circuitale in grado di garantire che gli effetti dei guasti siano ridotti al minimo.
Questo articolo illustra i limiti dei dispositivi standard di protezione circuitale e come gli e-Fuse possono essere utilizzati per migliorare i progetti.
Probabilmente la forma più comune (e più economica) di protezione circuitale è il semplice fusibile. Quest’ultimo è costituito da un filo metallico o da una sottile striscia di metallo con un basso punto di fusione. I fusibili sono normalmente inseriti all’interno dell’alimentatore e, quando scorre una corrente eccessiva, il calore generato nel fusibile provoca la fusione del filo/striscia. Di conseguenza, viene scollegata la sorgente di alimentazione dal circuito.
Questa disconnessione di solito non è istantanea e il tempo impiegato da un fusibile per “bruciare” è inversamente proporzionale alla corrente di guasto. Se la corrente è solo leggermente superiore al valore nominale del fusibile, potrebbe fluire per un po’ di tempo, agendo sulla linea di alimentazione e causando malfunzionamenti o danni al circuito.
I fusibili non sono economici; una vola aperti, devono essere sostituiti (normalmente dall’utente). Se viene utilizzata (inavvertitamente o deliberatamente) una taglia errata, si ha un pericolo di incendio.
È possibile utilizzare altri dispositivi come i termistori a coefficiente di temperatura positiva (PTC). Questi dispositivi per montare il circuito stampato aumentano la propria resistenza all’aumento della temperatura, limitando così il flusso di corrente. Se la sovracorrente non è eccessiva (altrimenti il termistore PTC andrebbe in circuito aperto), man mano che la corrente diminuisce, la temperatura scende e riprende il normale funzionamento.
Sebbene superino la necessità di sostituire un fusibile, i termistori PTC non sono lineari e non sono adatti per l’utilizzo in un ampio intervallo di temperatura a causa del loro principio di funzionamento.
I fusibili elettronici
I fusibili elettronici (o “eFuse”, un termine coniato da onsemi quando ha introdotto i primi dispositivi sul mercato) sono un’alternativa moderna che offre una protezione di base dei circuiti e molte funzionalità aggiuntive. In genere, essi includono la protezione contro le sovracorrenti quali cortocircuiti, sovratensione, corrente inversa e aumento eccessivi di temperatura.
Sebbene esistano molte applicazioni per questi dispositivi innovativi, essi sono comunemente utilizzati in situazioni in cui occorre sostituire i componenti a caldo (hot plug) o ovunque ci siano comuni problemi di alimentazione. Questi componenti vengono utilizzati anche laddove esiste una possibilità significativa di guasto del carico o nei sistemi in cui è necessario avere un limite di corrente di spunto in ingresso/uscita.
Il pin di abilitazione in combinazione con i meccanismi di controllo della corrente ad alta precisione trasforma questo dispositivo in una combinazione di interruttore di carico e fusibile che può essere utilizzato come elemento di base dei sistemi di controllo del punto di carico nelle moderne architetture di alimentazione distribuita .
I principali vantaggi degli eFuse sono la loro flessibilità e la capacità di ripristino automatico, che elimina la necessità di intervento da parte dell’utente. Essendo dispositivi intelligenti, le loro caratteristiche supportano funzionalità aggiuntive all’interno dei sistemi, al di là della semplice protezione da sovratensione/sovracorrente (in cui eccellono).
Ad esempio, molti eFuse includono un pin Power Good (“PGOOD”) che può essere utilizzato con un controllore di sistema per sequenziare con precisione le linee di alimentazione. Alcuni eFuse includono pin a tre stati che possono essere utilizzati per garantire l’accensione/spegnimento simultaneo di più linee di alimentazione.
La capacità di rilevare la corrente inversa (cosa che un fusibile tradizionale non può fare) li rende utili nelle applicazioni con alimentazione ridondante in cui è richiesto il funzionamento in OR. Ciò è utile anche quando è necessario un condensatore di grandi dimensioni per mantenere la carica dopo lo spegnimento di un sistema, spesso per limitare la corrente di punto all’avvio.
Figura 1: Gli eFuse offrono un’ampia gamma di funzioni per migliorare la protezione.
In molte applicazioni, i condensatori (oi carichi capacitivi) possono rappresentare una sfida, dando origine a correnti di punto elevate che possono danneggiare i
componenti o le tracce del PCB. Gli eFuse possono offrire diverse funzionalità per aiutare i progettisti a gestire questo problema, come la ripetizione automatica dei tentativi o la limitazione della corrente di punto per consentire al condensatore di caricarsi in modo controllato.
Come dispositivi intelligenti, gli eFuse possono monitorare la temperatura, la tensione e la corrente, trasmettendo questi dati a un controllore di sistema. Ciò è particolarmente utile per rilevare modifiche che potrebbero essere un indicatore precoce di un guasto imminente.
I fusibili elettronici nelle applicazioni automotive
Con l’aumento del contenuto tecnologico in ogni veicolo, aumenta la necessità di una protezione adeguata dei circuiti per garantire un funzionamento affidabile e per prevenire danni. Questo è particolarmente necessario nei veicoli, poiché la capacità attuale delle batterie è sufficiente per distruggere i componenti elettronici più delicati.
Gli eFuse sono comunemente utilizzati nella linea di alimentazione dei sottosistemi (come i visori di proiezione sul parabrezza oi sistemi di infotainment) per scollegare e spegnere questi sistemi in caso di guasto.
Nei sistemi che sono parzialmente esterni al veicolo, un’avaria degli elementi esterni potrebbe causare un cortocircuito che danneggerebbe i circuiti interni. Uno di questi è l’unità telematica, in cui l’amplificatore a basso rumore (LNA) esterno e l’antenna GPS sono collegati tramite eFuse, i quali proteggono i circuiti all’interno del veicolo.
Quando i sistemi del veicolo sono suddivisi in zone, gli eFuse possono essere collegati in cascata all’interno del sistema, offrendo una protezione generale e dei sottosistemi.
Figura 2: Gli eFuse collegati in cascata sono talvolta utilizzati in applicazioni automotive suddivise in zona.
Ad esempio, in un controllore di dominio per sistemi ADAS, un fusibile principale può essere collegato tra la sorgente di alimentazione e il sistema principale, mentre è possibile utilizzare fusibili secondari per proteggere le periferiche del sistema, come l’unità sensore a ultrasuoni dei sistemi di assistenza al parcheggio montate esternamente.
Il cablaggio nei veicoli moderni è un sottosistema complesso. Esso è costoso e difficile da sostituire una volta assemblato il veicolo, quindi la sua protezione è fondamentale. Molti dispositivi energivori (ventilatori, motori per finestrini, condizionatori, altri attuatori) sono collegati con cavi. Viene generalmente utilizzato un fusibile sul monte di questi sistemi per proteggere il cablaggio in caso di guasti con un conseguente assorbimento di corrente eccessiva.
Alcuni esempi delle più recenti tecnologie di eFuse
Il NIV(S)3071 di onsemi è un sensore eFuse da 60 V DC , 65 V TR , che integra quattro canali indipendenti in un singolo pacchetto da 5,0 mm x 6,0 mm, con ciascun canale che supporta correnti fino a 2 ,5 A in modo continuo (10 A in totale). La R DSon per ogni canale è di soli 80 mΩ e garantisce una perdita minima all’interno dell’eFuse. È presente un limite di corrente configurabile comune a tutti i canali, e altre caratteristiche includono un limite di tensione di uscita, un segnale digitale per indicare una situazione di guasto, la corrente di intervento configurabile nel tempo e un avvio graduale fisso di 1 ms.
Essendo in grado di funzionare a temperatura di giunzione (TJ ) da -40ºC a +150ºC e con 2 kV di protezione ESD, il NIV3071 è ideale per le applicazioni automotive più impegnative, sia a 12 V che a 48 V.
Il NIV(S)4461 è un singolo eFuse che fornisce protezione da sovracorrente, sottotensione e corrente di spunto in applicazioni quali l’automazione industriale, le telecomunicazioni, l’informatica e altro ancora. Il dispositivo può supportare correnti continue fino a 4,2 A, una tensione fino a 360 V.
Alcune caratteristiche degne di nota del dispositivo sono la sua bassa resistenza (R DSon tipica = 39 mΩ) e il tempo di intervento rapido. Il dispositivo include anche un limite di corrente programmabile (21-157A), il controllo della sottotensione e la velocità di risposta regolabile. Le funzioni configurabili dall’utente includono il latch-off e la ripetizione automatica dei tentativi.
Il NIV(S)4461 è alloggiato in una confezione DFNN1024 che misura appena 3,0 mm x 3,0 mm. Esso è dotato di piedinatura standard industriale ed è conforme agli standard UL2367 e IEC62368.
Riepilogo
La protezione circuitale è un elemento essenziale della progettazione moderna, in quanto garantisce l’affidabilità dei circuiti e dei sistemi e riduce al minimo i danni in caso di guasti o di condizioni impreviste. Mentre i fusibili tradizionali offrivano un grado limitato di protezione, i moderni eFuse assicurano maggiore precisione, più flessibilità e un insieme di funzioni più ampio, che migliorano significativamente la protezione ottenibile.
