РадиоЛоцман - Все об электронике

Электронные предохранители: достоинства и недостатки

Texas Instruments TPS25925 TPS25926

Bill Schweber

EDN

Как консервативному аналогово-ориентированному инженеру, мне всегда нравились традиционные плавкие предохранители, а к электронным предохранителям (часто пишут e-fuse или eFuse) я относился несколько скептически из-за наличия в них активных компонентов. В конце концов, когда речь заходит о надежности, простое почти всегда лучше, и нет ничего функционально более простого, чем плавкий предохранитель. Я не хочу принижать их возможности, поскольку в современных плавких предохранителях воплощены последние достижения в области материаловедения и технологий, а основой их функциональности является простота.

Признаем: стандартный предохранитель делает единственную вещь, делает ее хорошо, и делает это полностью определенным и неизменным способом в соответствии с приведенным в документации набором технических характеристик. Его нельзя испортить, поскольку в нем нет ничего, что позволило бы это сделать (Рисунок 1). Если вы выберите подходящие параметры предохранителя – ток срабатывания, быстродействие, материал, физические размеры, – вы просто не сможете не получить требуемого результата. Я знаю, каждый может рассказать свою историю о том, как предохранитель не сделал то, что должен был сделать, но это все-таки редкие исключения.

Это три наиболее часто используемых условных обозначения  плавкого предохранителя. И схема, и функциональность этого  двухполюсного пассивного компонента просты, что и является  его основным достоинством.
Рисунок 1. Это три наиболее часто используемых условных обозначения
плавкого предохранителя. И схема, и функциональность этого
двухполюсного пассивного компонента просты, что и является
его основным достоинством.

Однако плавкий предохранитель имеет ряд недостатков, начиная со времени, необходимого для его реакции. В зависимости от соотношения перегрузочного и порогового токов, для срабатывания и размыкания цепи ему может потребоваться от десятков миллисекунд до десятков секунд. В современных низковольтных схемах значения токов перегрузки часто бывают умеренными, поэтому время срабатывания предохранителя может быть слишком большим для защиты чувствительных цепей. Кроме того, после перегорания стандартный предохранитель должен быть физически заменен, что является недостатком во многих (но не во всех) приложениях.

Концептуально электронный предохранитель представляет собой простую схему, обеспечивающую альтернативный подход к ограничению и отключению тока, и обладающую уникальными преимуществами, поскольку измерение тока не зависит от нагрева и влияния отключенной последующей цепи. Он состоит из нескольких аналоговых компонентов: прецизионного токоизмерительного резистора, усилителя с точными масштабирующими резисторами для выборки и «усиления» напряжения на резисторе, схемы компаратора для «выключения» при заданном значении и MOSFET, замыкающего/ разрывающего путь прохождения тока в контролируемой линии (Рисунок 2).

Базовая блок-схема типичного электронного предохранителя демонстрирует его очевидную простоту и удобство подключения.
Рисунок 2. Базовая блок-схема типичного электронного предохранителя демонстрирует
его очевидную простоту и удобство подключения.

Работа схемы довольно проста. Как правило, сопротивление резистора выбирается таким, чтобы при максимальном токе падение напряжения на нем составляло от 50 до 100 мВ. Электронный предохранитель включается между шиной питания (или источником питания) и защищаемой нагрузкой. Контролируемый ток проходит через резистор, результирующее падение напряжения на котором измеряется токоизмерительным усилителем.

Хотя электронный предохранитель можно собрать из отдельных компонентов, большинство пользователей вместо этого выбирают законченный электронный предохранитель на основе микросхемы, содержащей все необходимые цепи, включая МОП-транзистор (Рисунок 3); некоторые из которых даже имеют внутренний токоизмерительный резистор. В других электронных предохранителях на основе микросхем реализуются дополнительные функции и особенности, такие как программируемая пользователем блокировка при пониженном напряжении, фиксатор перенапряжения и автоматическая попытка повтора, а также возможность установить время запуска с помощью внешних компонентов. Эта последняя функция полезна для контроля пускового тока при включении оборудования и при операциях горячей замены, поэтому такие предохранители широко используются в этих приложениях.

Электронный предохранитель с дополнительными функциями программируется с помощью простых внешних пассивных компонентов. Другие электронные предохранители могут отличаться набором дополнительных функций и возможностей.
Рисунок 3. Электронный предохранитель с дополнительными функциями программируется
с помощью простых внешних пассивных компонентов. Другие электронные
предохранители могут отличаться набором дополнительных функций и возможностей.

Первоначально у меня сложилось ощущение, что электронные предохранители могут выполнять свою роль в схемах с низкими напряжениями и токами; и это все, на что они годятся. А вот в том, что они подойдут для приложений более высокого диапазона напряжений и токов, для которых нужна сертификация Underwriters Laboratories (UL) и Международной электротехнической комиссии (IEC), и где плавкий предохранитель является полностью разрешенным средством защиты, я не был уверен.

Вот почему меня заинтересовала только что опубликованная Texas Instruments небольшая статья [1]. В этой статье обсуждается, как электронные предохранители вписываются в процесс сертификации UL/IEC, и почему они подходят для тех или иных условий. Эти сертификационные требования настолько сложны, содержат такое количество положений, предписаний, исключений и правил, что мы должны быть очень рады любому компетентному совету, и любой компонент, который позволит вам пропустить хоть один этап в этом процессе сертификации, будет хорошей вещью.

Краткая записка объясняет все нюансы электронных предохранителей с точки зрения этих правил, а также напоминает мне о том, что легко упустить из виду: предохранители защищают от перегрузок по току и опасности, которую они представляют для систем и людей. Они не предназначены для защиты от высокого напряжения, хотя подсознательно мы можем связывать понятие «опасность» с переменным напряжением сети 120/240 В и большим количеством тока. В записке TI перечислены одобренные органами сертификации электронные предохранители, рассчитанные на 4.5…60 В при токах до 6 А. Разумеется, это не сетевое напряжение, но все же это достаточно значительный ток, и напряжение, измеряемое двузначными числами. Защита от высоковольтных событий – задача не для предохранителя; эту роль выполняют металлоксидные варисторы, искровые разрядники и другие компоненты.

Реальность такова, что электронные предохранители имеют четкие отличия от плавких предохранителей, и часто они могут быть более предпочтительными: точный порог ограничения тока, намного меньшее время реакции и возможность самовосстановления и восстановления соединения после устранения неисправности (в зависимости от выбранной модели электронного предохранителя). Во многих ситуациях проектирования имеет смысл серьезно рассматривать возможность использования электронного предохранителя вместо классического плавкого устройства.

В любом случае, электронный предохранитель – это гораздо больше, чем простой, чрезвычайно надежный плавкий предохранитель с ограниченной функциональностью; это активное устройство, хотя и простое. Возможно, для максимальной уверенности, как своего рода «перестраховка», некоторые конструкции нуждаются и в электронном предохранителе, и в плавком.

Но будет ли это означать, что разработчик был предусмотрителен и осторожен, или что ему не хватило уверенности при анализе отказов и требуемой схемы защиты? Что вы думаете об использовании электронных предохранителей в более сильноточных приложениях?

Ссылки

  1. “eFuse: Safety Certification and why it Matters,” (SLVAEO5), Texas Instruments, 2020.

Материалы по теме

  1. Datasheet Texas Instruments TPS25925x/6x

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

На английском языке: E-fuses: warming up to higher-current applications

JLCPCP: 2USD 2Layer 5PCBs, 5USD 4Layer 5PCBs

Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя