Garantir une protection des circuits compacte, flexible et précise, conforme aux normes de sécurité CEI et UL

La protection des dispositifs et des utilisateurs finaux contre des conditions de tension, de courant et de température potentiellement néfastes est nécessaire dans les applications telles que les adaptateurs CA USB Type-C®, les équipements de réseau et l'électronique grand public et industrielle. L'utilisation de fusibles classiques ou de thermistances à coefficient de température positif (CTP) peut fournir des solutions compactes et une certaine protection. Cependant, un nombre croissant d'applications exigent des niveaux de protection plus élevés et une plus grande flexibilité, notamment des temps de réponse plus rapides, une protection programmable et réinitialisable contre les surtensions (OVP), une protection contre la surintensité (OCP), une protection contre la surchauffe (OTP), le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO), le démarrage progressif et/ou le blocage du courant inverse (RCB). Dans le cas des adaptateurs CA USB Type-C, il est également nécessaire de prendre en charge la fonction de changement rapide des rôles (Fast Role Swap, FRS), conformément à l'exigence de synchronisation définie dans la spécification USB Power Delivery.

Il est possible de concevoir des circuits de protection pour implémenter toutes ces fonctions, mais le processus de conception prend du temps. De même, l'obtention de la reconnaissance de sécurité UL ou CEI 62368-1 peut étendre le délai de mise sur le marché. En outre, une solution utilisant des composants discrets peut augmenter l'empreinte globale de la solution.

Pour implémenter rapidement des fonctions de protection compactes et précises qui répondent aux normes de sécurité UL et CEI, les concepteurs peuvent se tourner vers les régulateurs eFuse. Ces circuits intégrés de protection ont des seuils de protection programmables pour soutenir la flexibilité de conception, et la protection peut être à verrouillage ou à récupération automatique lorsque le défaut est supprimé. Ils présentent une faible résistance à l'état passant pour maximiser le rendement et incluent le démarrage progressif pour minimiser les courants d'appel. Certains modèles sont dotés d'une capacité FRS certifiée pour une utilisation dans les adaptateurs CA USB Type-C.

Cet article présente les fusibles électroniques (eFuse), y compris les caractéristiques de tension et de courant et les applications représentatives. Il examine ensuite comment les fonctions de protection, notamment la protection contre la surintensité, le démarrage progressif, la protection contre les surtensions, le verrouillage en cas de sous-tension et la protection contre la surchauffe, sont mises en œuvre. Enfin, il présente une série de circuits intégrés eFuse de Littelfuse, optimisés pour des applications spécifiques, ainsi que des considérations relatives à l'intégration système pour accélérer la mise sur le marché.

Critères de sélection des fusibles électroniques

Les exigences en matière de fusibles électroniques pour une application donnée sont hautement liées à la tension et au courant de fonctionnement du système. Pour les systèmes à basse tension et à faible courant jusqu'à environ 5 volts (V) CC (V_CC) d'entrée et 2 ampères (A) de courant, des fonctionnalités telles que la protection contre la surintensité, la protection contre la surchauffe, le verrouillage en cas de sous-tension et la suppression du courant d'appel (dV/dt) pour les événements de remplacement à chaud et de branchement à chaud sont généralement requises. Pour les applications qui consomment entre 2 A et 6 A, avec des tensions d'entrée jusqu'à 24 V_CC, des signaux OVP, de limitation de courant/OCP et Power Good sont souvent nécessaires. Les moniteurs et les temporisateurs de courant pour la surveillance du système et la protection contre la surintensité et le blocage du courant inverse sont fréquents dans les applications utilisant 6 A et plus et des tensions de 24 V_CC et plus (Figure 1).

Figure 1 : Les fonctionnalités des fusibles électroniques sont fortement corrélées avec la tension d'entrée (axe horizontal) et le courant d'entrée (axe vertical) de l'application. (Source de l'image : Littelfuse)

Protection contre le courant et démarrage progressif

Des courants excessifs peuvent amener les composants électroniques à dépasser leur température de fonctionnement nominale, ce qui nuit à leurs performances et réduit leur durée de vie. Un circuit de protection du courant surveille le courant (I) et, s'il dépasse le niveau défini (I-limit), qui est supérieur au courant de fonctionnement nominal « Iout », le courant d'entrée est d'abord régulé à un niveau fixe pendant plusieurs microsecondes (µs), puis automatiquement réduit à un niveau sûr. En fonction du fusible électronique utilisé, la valeur I-limit peut être fixe ou programmable. Lorsqu'une surintensité se produit, le fusible électronique réduit le courant d'entrée pendant un temps déterminé, généralement plusieurs millisecondes (ms), puis le rétablit pour voir si le défaut a été éliminé.

Si le défaut est toujours présent, il va à nouveau réguler et réduire automatiquement le courant, attendre quelques ms et redémarrer. La séquence de réduction du courant et de redémarrage jusqu'à ce que le défaut soit éliminé est parfois appelée protection en mode « hiccup ». Dans le cas d'un court-circuit, le courant d'entrée augmente très rapidement et le fusible électronique réduit immédiatement le courant d'entrée à un niveau sûr (Figure 2).

Figure 2 : Les fusibles électroniques incluent une limitation du courant avec relance automatique pour protéger contre les courants de charge excessifs et les courts-circuits. (Source de l'image : Littelfuse)

Le démarrage progressif limite le courant d'appel lors de la mise sous tension d'un dispositif. Sans démarrage progressif, les seules limitations du courant sont les impédances relativement faibles des composants et des pistes du circuit imprimé. Des courants d'appel élevés peuvent endommager le circuit d'alimentation ou les composants. Le démarrage progressif active lentement le fusible électronique, ce qui permet de contrôler la vitesse de balayage et de limiter le courant d'appel (Figure 3). Le taux de démarrage progressif peut être fixe ou programmable.

Figure 3 : Le démarrage progressif d'un fusible électronique empêche les courants d'appel potentiellement dangereux et peut être fixe ou programmable. (Source de l'image : Littelfuse)

Protection OVP et UVLO

Une tension trop élevée ou trop faible peut également entraîner des dysfonctionnements du système et des dommages éventuels. Le verrouillage en cas de sous-tension dans un fusible électronique empêche le dispositif de fonctionner si la tension d'entrée est inférieure à un seuil prédéfini. De plus, si la tension d'entrée augmente trop lentement, ou si la source d'alimentation présente une résistance interne importante (comme une batterie), la tension peut chuter à mesure que le courant de charge augmente, entraînant le franchissement répété du seuil UVLO par la tension. Lorsque cela se produit, la fonction UVLO peut entrer en oscillation. L'utilisation d'un circuit UVLO avec une hystérésis (retard) d'environ 150 millivolts (mV) à 300 mV peut éliminer les oscillations et garantir un fonctionnement régulier de la fonction UVLO.

La protection contre les surtensions protège le dispositif contre les contraintes ou les dommages causés par des tensions excessivement élevées. Lorsqu'une condition de surtension est détectée, le fusible électronique bloque immédiatement la tension pour protéger le système, puis se désactive. Il décharge également les condensateurs de sortie à la terre par l'intermédiaire d'une résistance interne. Lorsque la tension tombe à une valeur spécifiée, le fusible électronique s'active automatiquement (Figure 4). Le seuil OVP peut être fixe ou programmable.

Figure 4 : Lorsque la tension d'entrée atteint la valeur de blocage OVP, elle ne peut plus augmenter et le fusible électronique coupe la sortie pour protéger le système. (Source de l'image : Littelfuse)

Protection thermique

Des températures excessives peuvent également entraîner des dommages ou un fonctionnement incorrect. C'est pourquoi les fusibles électroniques incluent un capteur de température interne. La protection contre la surchauffe est généralement mise en œuvre sous la forme d'un processus en deux étapes. La première est la température de régulation thermique, généralement autour de 125°C, à laquelle le fusible électronique limite le flux de courant pour essayer de stopper l'augmentation de la température. Si la température continue d'augmenter et que la température de jonction du dispositif dépasse le seuil de blocage thermique (TSHDN) — généralement autour de 140°C — le fusible électronique se désactive. La protection contre la surchauffe inclut également une hystérésis, et le fusible électronique redémarre lorsque la température interne descend de 20°C en dessous du seuil TSHDN (Figure 5).

Figure 5 : La protection contre la surchauffe inclut une hystérésis qui redémarre le fusible électronique une fois que la température a baissé d'une valeur prédéterminée. (Source de l'image : Littelfuse)

Fusibles électroniques compacts de 5 V pour les dispositifs alimentés par batterie

Les concepteurs de casques Bluetooth, de dispositifs corporels, de tablettes et d'autres dispositifs alimentés par adaptateur peuvent se tourner vers le LS0505EVD22 de 5 V et 5 A en boîtier DFN2X2_8L et le LS0504EVT233 de 5 V et 4 A en boîtier SOT23_3L pour des solutions compactes offrant une protection contre les surtensions, une protection contre la surintensité et le démarrage progressif (Figure 6). La résistance à l'état passant de 50 milliohms (mΩ) du commutateur interne minimise la dissipation de puissance. La fonction OVP réagit immédiatement en cas d'événement de tension excessive et décharge le condensateur de sortie. Le seuil de limite du courant est défini avec une résistance externe, et la protection contre la surintensité fonctionne en mode hiccup pour les conditions de surintensité ou de court-circuit. La fonction de démarrage progressif automatique assure une montée en tension progressive, limitant le courant d'appel à un niveau sûr.

Figure 6 : Le fusible électronique LS0504EVT233 est fourni en boîtier SOT23 compact pour une utilisation dans les applications à espace restreint. (Source de l'image : Littelfuse)

Fusibles électroniques de 18 V / 5 A

Les fusibles électroniques série LS1205E ont une plage de tensions de fonctionnement de 2,7 à 18 V_CC, un courant nominal de 5 A, et ils conviennent aux disques durs, aux disques SSD et aux dispositifs alimentés par adaptateur tels que les ordinateurs portables et les dispositifs réseau. Ces fusibles électroniques sont dotés d'un commutateur avec une résistance à l'état passant de 25 mΩ et sont fournis en boîtier DFN3×3 à 10 broches. Ils incluent un temps de démarrage progressif programmable, un seuil de limite de courant programmable jusqu'à 5 A, une protection contre les courts-circuits, un verrouillage en cas de sous-tension et une protection contre la surchauffe. Deux modèles sont disponibles :

Le LS1205EV inclut trois plages de tensions d'entrée sélectionnables. Les seuils UVLO et de tension de blocage de sortie sont basés sur la plage de tensions d'entrée sélectionnée.

Le LS1205EF inclut une fonction d'indicateur de défaut de drain ouvert qui signale l'apparition de défauts de types verrouillage en cas de sous-tension, protection contre les surtensions, court-circuit et blocage thermique.

Fusibles électroniques de 28 V avec RCB et FRS

Les concepteurs d'ordinateurs portables et de tablettes, de stations d'accueil et de périphériques réseau, qui ont besoin d'une fonctionnalité Thunderbolt ou USB Type-C PD avec blocage du courant inverse et FRS, peuvent se tourner vers le régulateur eFuse de 28 V et 6 A LS2406ERQ23 qui inclut des fonctions de protection contre la surintensité, protection contre les surtensions, court-circuit, démarrage progressif et protection contre la surchauffe (Figure 7). Le commutateur d'alimentation a une résistance à l'état passant de 24 mΩ pour minimiser la dissipation de puissance en fonctionnement normal, les fonctions OCP, OVP et de démarrage progressif sont programmables, et la protection contre la surchauffe inclut une récupération automatique lorsque le dispositif refroidit. Ce fusible électronique est doté d'une fonction RCB toujours active, quel que soit l'état logique du signal d'activation (EN). La fonction FRS et les fonctions intégrées de décharge d'entrée et de sortie sont conformes aux spécifications USB PD.

Le LS2406ERQ23 est disponible en boîtier QFN extra-plat à 16 broches de 2,5 millimètres (mm) x 3,2 mm, et il est classifié selon UL/CSA 62368-1.

Figure 7 : Application typique du fusible électronique LS2406ERQ23 prenant en charge le blocage du courant inverse et la capacité FRS pour les applications USB Type-C PD. (Source de l'image : Littelfuse)

Consignes de configuration de cartes

Pour la série LS1205E, ainsi que pour les dispositifs LS0505EVD22 et LS0504EVT233, voici quelques considérations générales sur la configuration des cartes afin de garantir une mise en œuvre réussie :

• Un condensateur de découplage en céramique de 0,1 microfarad (µF) ou plus doit être placé entre la borne IN et la terre (GND), et entre la borne OUT et GND. Lorsque l'inductance du chemin d'alimentation d'entrée est négligeable, comme dans les applications de branchement à chaud, ce condensateur peut être superflu.
• Les condensateurs de découplage doivent être placés aussi près que possible des bornes IN, OUT et GND, et la zone de boucle formée par les connexions doit être minimisée.
• Les pistes d'alimentation à fort ampérage doivent être dimensionnées pour transporter au moins deux fois le courant attendu maximum et elles doivent être aussi courtes que possible.
• La borne GND du fusible électronique doit être connectée directement au plan de masse du circuit imprimé. Le plan de masse du circuit imprimé doit être un îlot ou un plan de cuivre.

Pour la série LS1205E uniquement : placez tous les composants de support tels que R_ILIM, condensateur SS (CSS) et résistances pour EN, aussi près que possible de la broche de connexion correspondante, et utilisez la longueur de piste la plus courte possible pour connecter l'autre côté du composant à GND. Les pistes doivent être placées de manière à éviter tout couplage avec les signaux de commutation sur le circuit imprimé, et la longueur des pistes pour les composants CSS et R_ILIM doit être aussi courte que possible afin de minimiser l'effet des parasites sur le réglage de la limite de courant et la synchronisation du démarrage progressif.

Pour le LS2406ERQ23, consultez la fiche technique pour connaître les considérations de configuration liées à la protection contre les courts-circuits du câble USB Type-C et aux composants FRS.

Conclusion

Pour protéger à la fois les utilisateurs et les dispositifs, et pour répondre aux normes applicables, les concepteurs peuvent se tourner vers les régulateurs eFuse à protection intégrée qui offrent une variété de fonctions, notamment la protection contre les surtensions, la protection contre la surintensité, le verrouillage en cas de sous-tension, la protection contre la surchauffe et le blocage du courant inverse. Grâce à leurs seuils de protection programmables et à leur capacité de réinitialisation, les fusibles électroniques offrent une grande flexibilité de conception, tout en étant dotés de commutateurs à faible résistance à l'état passant pour maximiser le rendement et d'un démarrage progressif pour minimiser les courants d'appel. Certains modèles incluent des fonctions certifiées FRS et RCB pour une utilisation dans les adaptateurs CA USB Type-C.

Lecture recommandée

1. Concevoir des circuits de protection conformes à la nouvelle norme AV/TIC CEI 62368-1