Utiliser des fusibles électroniques pour concevoir des solutions compactes de protection contre les courts-circuits, les surtensions et la chaleur

Avec l'omniprésence des appareils électroniques à la maison, au bureau et dans l'industrie, le besoin d'une protection des circuits compacte, économique, rapide, réinitialisable et ajustable est de plus en plus important pour garantir la sécurité des utilisateurs et le temps de fonctionnement maximum des appareils. Les approches conventionnelles en matière de fusibles souffrent de courants de coupure imprécis et de temps de réponse lents, et sont généralement associées à l'inconvénient de devoir remplacer le fusible.

S'il est possible de concevoir une solution de protection adaptée en partant de zéro, il n'est pas facile de répondre aux exigences de latence et de précision d'un dispositif réinitialisable. En outre, cette même solution doit désormais offrir une protection ajustable contre la surintensité, une vitesse de balayage ajustable du courant d'appel, un blocage de surtension, un blocage du courant inverse et une protection thermique. Une telle conception nécessite de nombreux composants discrets et plusieurs circuits intégrés qui, ensemble, occupent une surface importante sur le circuit imprimé, augmentent les coûts et retardent la mise sur le marché. La nécessité d'un haut niveau de fiabilité et l'obligation de respecter les normes de sécurité internationales telles que CEI/UL62368-1 et UL2367 ne font qu'accroître la difficulté.

Pour répondre à ces exigences, les concepteurs peuvent se tourner vers des circuits intégrés de fusibles électroniques (eFuse) pour garantir une protection contre les courts-circuits de l'ordre de la nanoseconde (ns), soit environ un million de fois plus rapide que les fusibles classiques ou les dispositifs PPTC.

Cet article explique pourquoi une protection des circuits plus rapide, plus robuste, plus compacte, plus fiable et plus rentable est nécessaire, avant de présenter les fusibles électroniques et leur fonctionnement. Il présente ensuite plusieurs options de fusibles électroniques de Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation et montre comment elles répondent aux besoins des concepteurs en matière de protection économique, compacte et robuste.

Exigences en matière de protection des circuits

Les surintensités, les courts-circuits, les surcharges et les surtensions font partie des besoins fondamentaux des systèmes électroniques en matière de protection des circuits. Dans une condition de surintensité, un courant excessif circule dans un conducteur. Cela peut conduire à des niveaux élevés de production de chaleur et à un risque d'incendie ou de dommages matériels. Les surintensités peuvent être causées par des courts-circuits, des charges excessives, des défauts de conception, des défaillances de composants, et des défauts d'arc ou de terre. Pour protéger les circuits et les utilisateurs, la protection contre la surintensité doit fonctionner instantanément.

Les conditions de surcharge existent lorsque le courant excessif n'est pas immédiatement dangereux, mais les conséquences à long terme peuvent être tout aussi dangereuses qu'une condition de surintensité élevée. La protection contre la surcharge est mise en œuvre avec différents délais de temporisation en fonction du niveau de la surcharge. Plus la condition de surcharge augmente, plus le délai diminue. La protection contre la surcharge peut être implémentée avec des fusibles temporisés ou à action retardée.

Les conditions de surtension peuvent entraîner un fonctionnement instable du système et peuvent également conduire à la production d'une chaleur excessive et à un risque accru d'incendie. Les surtensions peuvent également présenter un danger immédiat pour les utilisateurs ou les opérateurs d'un système. Comme pour la surintensité, la protection contre les surtensions doit fonctionner rapidement pour couper la source.

Certaines applications bénéficient de fonctions de protection supplémentaires, au-delà des fonctions de base, pour garantir un fonctionnement sûr et stable, notamment des niveaux ajustables de protection contre les surtensions et les surintensités, le contrôle du courant d'appel au démarrage, la protection thermique et le blocage du courant inverse. Divers dispositifs de protection des circuits peuvent répondre à différentes combinaisons de ces exigences de protection des circuits.

Fonctionnement des fusibles électroniques

Les circuits intégrés de fusibles électroniques offrent des fonctions de protection plus étendues et des niveaux de contrôle plus élevés que les fusibles et les dispositifs PPTC classiques (Figure 1). En plus de la protection rapide contre les courts-circuits, les fusibles électroniques offrent un blocage précis de la surtension, une protection ajustable contre la surintensité, une tension ajustable et un contrôle de la vitesse de balayage du courant pour minimiser les courants d'appel et le blocage thermique. Les versions incluent également un blocage intégré du courant inverse.

Figure 1 : Les fusibles électroniques peuvent remplacer les fusibles classiques ou les dispositifs PPTC et fournir des fonctions de protection supplémentaires et des niveaux de contrôle plus élevés. (Source de l'image : Toshiba)

L'une des clés des performances des fusibles électroniques est le MOSFET de puissance interne dont la résistance à l'état passant est généralement de l'ordre du milliohm (mΩ) et qui peut gérer des courants de sortie élevés (Figure 2). En fonctionnement normal, la très faible résistance à l'état passant du MOSFET de puissance garantit que la tension à VOUT est presque identique à la tension à VIN. Lorsqu'un court-circuit est détecté, le MOSFET se désactive très rapidement, et lorsque le système revient à la normale, le MOSFET est utilisé pour contrôler le courant d'appel.

Figure 2 : Un MOSFET de puissance à faible résistance à l'état passant (en haut au centre) est la clé de l'action rapide et des capacités de démarrage contrôlé des fusibles électroniques. (Source de l'image : Toshiba)

Outre le MOSFET de puissance, la nature active des fusibles électroniques contribue à leurs nombreux avantages en termes de performances (Tableau 1). Les fusibles et les PPTC conventionnels sont des dispositifs passifs avec une faible précision par rapport au courant de déclenchement. Ils s'appuient sur le chauffage par effet Joule qui prend du temps à se développer, ce qui augmente leur temps de réaction. Un fusible électronique, quant à lui, surveille constamment le courant, et dès qu'il atteint 1,6 fois la limite de courant ajustable, la protection contre les courts-circuits est initiée. Une fois déclenchée, la technique de protection contre les courts-circuits ultra-haute vitesse des fusibles électroniques réduit le courant à un niveau proche de zéro en seulement 150 ns à 320 ns, alors que les fusibles et les PPTC ont un temps de réaction de 1 seconde ou plus. Ce temps de réaction rapide réduit les contraintes du système et améliore sa robustesse. Comme un fusible électronique n'est pas détruit par un court-circuit, il peut être utilisé plusieurs fois.

Tableau 1 : Les circuits intégrés de fusibles électroniques offrent une vitesse de protection plus rapide, des niveaux de précision plus élevés et une suite plus complète de fonctions de protection par rapport aux fusibles et aux dispositifs PPTC (polyswitch). (Source du tableau : Toshiba)

Par rapport aux fusibles classiques, qui sont des dispositifs à usage unique, les fusibles électroniques contribuent à réduire les coûts de maintenance et les délais de récupération et de réparation. Deux types de récupération des conditions de défaut sont disponibles avec les fusibles électroniques : la récupération automatique qui permet de revenir au fonctionnement normal une fois que la condition de défaut est éliminée, et la protection à verrouillage qui permet la récupération lorsqu'un signal externe est appliqué après l'élimination du défaut. La protection contre les surtensions et la protection thermique sont également assurées par les fusibles électroniques, ce qui n'est pas possible avec les fusibles classiques ou les dispositifs PPTC.

Sélection de fusibles électroniques

La sélection d'un fusible électronique approprié commence généralement par les rails d'alimentation de l'application. Pour les rails d'alimentation de 5 volts (V) à 12 V, les fusibles électroniques série TCKE8xx sont une bonne option. Ils sont répertoriés pour une entrée jusqu'à 18 V et 5 ampères (A), sont certifiés CEI 62368-1, et sont disponibles en boîtier WSON10B mesurant 3,0 mm x 3,0 mm x 0,7 mm de haut, avec un pas de 0,5 mm (Figure 3).

Figure 3 : Les fusibles électroniques de Toshiba sont conditionnés dans un boîtier WSON10B à montage en surface de 3 mm x 3 mm et de 0,7 mm de hauteur. (Source de l'image : Toshiba)

La série TCKE8xx offre aux concepteurs une grande flexibilité, notamment une limite de surintensité ajustable définie par une résistance externe, un contrôle de la vitesse de balayage ajustable défini par un condensateur externe, une protection contre les surtensions et les sous-tensions, un blocage thermique, et une broche de commande pour un FET externe à blocage de courant inverse en option.

Les concepteurs ont également le choix entre trois niveaux de blocage de surtension différents : 6,04 V pour les systèmes 5 V (par exemple, le TCKE805NL,RF), 15,1 V pour les systèmes 12 V (notamment le TCKE812NL,RF) et sans blocage (comme le TCKE800NL,RF) (Figure 4). La protection contre les surtensions est disponible avec tentative automatique et blocage, selon le modèle, et les niveaux de blocage sont définis avec une précision de 7 %. Le verrouillage en cas de sous-tension est programmable à l'aide d'une résistance externe. Le blocage thermique protège le circuit intégré d'une condition de surchauffe en arrêtant le fusible électronique lorsque sa température dépasse 160 degrés Celsius (°C). Les modèles avec protection thermique à récupération automatique redémarrent lorsque la température baisse de 20°C.

Figure 4 : Les fusibles électroniques série TCKE8xx sont disponibles avec des tensions de blocage de 6,04 V pour les systèmes 5 V (TCKE805), 15,1 V pour les systèmes 12 V (TCKE812), et sans blocage (TCKE800). (Source de l'image : Toshiba)

Pour garantir un fonctionnement stable, ces fusibles électroniques offrent aux concepteurs la possibilité de définir le taux de rampe de courant et de tension au démarrage (Figure 5). À la mise sous tension, un fort courant d'appel peut circuler dans le condensateur de sortie et déclencher le fusible électronique, entraînant un fonctionnement instable. Un condensateur externe sur la broche dV/dT du fusible électronique définit le taux de rampe de démarrage pour la tension et le courant, empêchant ainsi les déclenchements intempestifs.

Figure 5 : Les concepteurs peuvent définir le taux de rampe de démarrage de la tension et du courant pour assurer un fonctionnement stable du fusible électronique. (Source de l'image : Toshiba)

Selon les besoins de l'application, les concepteurs peuvent ajouter un MOSFET de puissance à canal N externe pour le blocage du courant inverse, une diode de suppression de tension transitoire (TVS) pour la protection contre les tensions transitoires en entrée et une diode Schottky (SBD) pour la protection contre les pointes de tension négative sur la sortie du fusible électronique (Figure 6). Le blocage du courant inverse peut être utile dans les applications telles que les chargeurs de batterie et les lecteurs de disque remplaçables à chaud. Le MOSFET externe est contrôlé par la broche EFET.

L'ajout d'une diode TVS est nécessaire dans les systèmes où des tensions transitoires se produisent sur le bus d'alimentation et dépassent la valeur nominale maximum du fusible électronique. Dans certaines applications, une pointe de tension négative peut apparaître sur la sortie du fusible électronique, et la diode Schottky en option protège les circuits intégrés et autres dispositifs du côté de la charge, ainsi que le fusible électronique. Toshiba recommande le SSM6K513NU,LF comme MOSFET externe, le DF2S23P2CTC,L3F comme diode TVS et le CUHS20S30,H3F comme diode Schottky.

Figure 6 : Application typique pour les fusibles électroniques série TCKE8xx illustrant la diode TVS optionnelle pour la protection contre les tensions transitoires en entrée, la diode Schottky pour la protection contre les pointes de tension négative sur la broche de sortie, et un MOSFET externe pour le blocage du courant inverse. (Source de l'image : Toshiba)

Fusible électronique avec MOSFET de blocage du courant inverse intégré

Pour les applications exigeant la solution la plus compacte possible et le blocage du courant inverse, les concepteurs peuvent se tourner vers le fusible électronique TCKE712BNL,RF incluant deux MOSFET internes (Figure 7). Il n'y a aucune pénalité de performances associée au second MOSFET interne ; la résistance à l'état passant combinée des deux MOSFET n'est que de 53 mΩ, soit à peu près la même valeur que lors de l'utilisation d'un MOSFET de blocage externe.

Figure 7 : Le fusible électronique TCKE712BNL,RF inclut deux MOSFET (en haut au centre) pour permettre le blocage du courant inverse sans recourir à un MOSFET externe. (Source de l'image : Toshiba)

Par rapport aux conceptions à tension fixe de la série TCKE8xx, le TCKE712BNL,RF présente une plage de tensions d'entrée de 4,4 V à 13,2 V. Pour prendre en charge cette plage de tensions d'entrée, il est doté d'une broche de protection contre les surtensions (OVP) qui permet aux concepteurs de définir le niveau de protection contre les surtensions pour répondre aux besoins spécifiques du système. De plus, le TCKE712BNL possède une broche FLAG supplémentaire qui fournit un signal de sortie de drain ouvert indiquant la présence d'une condition de défaut.

Conclusion

Il est essentiel de garantir la protection des circuits et des utilisateurs dans les systèmes électroniques, d'autant plus que les dispositifs prolifèrent et que le risque de défaillance augmente. Dans le même temps, les concepteurs doivent réduire les coûts et l'encombrement, tout en atteignant une flexibilité de protection maximum et en respectant les normes de protection appropriées.

Grâce à leur fonctionnement ultra-rapide, leur précision, leur fiabilité et leur caractère réutilisable, les fusibles électroniques offrent non seulement une alternative performante et flexible aux dispositifs PPTC et aux fusibles conventionnels, mais ils sont également dotés d'un large éventail de fonctions intégrées qui simplifient considérablement la tâche de conception des circuits et de protection des utilisateurs.

Lecture recommandée

1. Comment sélectionner et utiliser des technologies intelligentes de détection et de surveillance du courant (au lieu de fusibles)
2. Concevoir des circuits de protection conformes à la nouvelle norme AV/TIC CEI 62368-1