Pourquoi et comment utiliser efficacement des fusibles électroniques pour la protection des circuits sensibles

Les fusibles thermiques sont utilisés avec succès depuis plus de 150 ans comme dispositif de protection de base des circuits. Ils sont efficaces, fiables, faciles à utiliser, et se déclinent en une gamme de valeurs et de variations pour répondre à différents objectifs de conception. Cependant, pour les concepteurs qui recherchent une coupure du courant extrêmement rapide, une capacité de réarmement automatique et la possibilité de fonctionner à des niveaux de courant relativement faibles, ils présentent des inconvénients inévitables. Pour ces concepteurs, les fusibles électroniques — souvent appelés eFuse ou e-Fuse — constituent une excellente solution, remplaçant parfois les fusibles thermiques, mais généralement venant en complément.

Les fusibles électroniques sont basés sur un concept simple de détection du courant en mesurant la tension dans une résistance connue, puis en coupant le flux de courant via un transistor à effet de champ (FET) lorsqu'il dépasse une limite de conception. Le fusible électronique offre des caractéristiques, une flexibilité et des fonctions qu'un fusible thermique ne peut pas fournir.

Cet article décrit le fonctionnement des fusibles électroniques. Il étudie ensuite les caractéristiques, les fonctionnalités supplémentaires et l'utilisation efficace de ces fusibles à circuit actif. Des exemples de solutions de Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage et STMicroelectronics seront présentés et leur utilisation efficace sera décrite.

Comment fonctionnent les fusibles électroniques ?

Le principe de fonctionnement d'un fusible thermique classique est simple, bien connu et fiable : lorsque le courant traversant l'élément fusible dépasse sa valeur désignée, cet élément chauffe suffisamment pour fondre. Cela interrompt le trajet du courant, et le courant passe à zéro. Selon le calibre et le type de fusible et la quantité de surintensité, un fusible thermique peut réagir et ouvrir le trajet du courant dans un délai de quelques centaines de millisecondes à plusieurs secondes. Bien sûr, comme pour tous les composants actifs et passifs, il existe de nombreuses variations, subtilités et nuances de fonctionnement pour ce dispositif entièrement passif qui est simple en principe.

En revanche, les fusibles électroniques fonctionnent selon un principe très différent. Ils offrent certaines des mêmes fonctionnalités, mais ajoutent également de nouvelles fonctions et caractéristiques différentes. Le concept de base du fusible électronique est également simple : le courant vers la charge traverse un FET et une résistance de détection, et est contrôlé via la tension dans cette résistance de détection. Lorsqu'il dépasse une valeur prédéfinie, la logique de contrôle désactive le FET et interrompt le flux de courant (Figure 1). Le FET, qui est en série avec la ligne d'alimentation et la charge, doit avoir une très faible résistance à l'état passant afin de ne pas induire une chute courant-résistance (IR) excessive ou une perte de puissance.

Figure 1 : Dans un fusible électronique, lorsque le courant de l'alimentation vers la charge traverse une résistance de détection, il est surveillé via la tension dans cette résistance ; lorsqu'il dépasse une valeur définie, la logique de contrôle désactive le FET, bloquant le flux de courant vers la charge. (Source de l'image : Texas Instruments)

Il peut sembler qu'un fusible électronique est simplement une version active plus complexe du fusible thermique passif classique. Bien que cela soit vrai, le fusible électronique offre également des caractéristiques uniques :

Vitesse : Il s'agit de dispositifs à action rapide avec des temps de réaction de coupure de l'ordre des microsecondes, certains étant conçus pour fournir une réponse en nanosecondes. C'est une caractéristique importante pour les circuits actuels qui comportent des circuits intégrés et des composants passifs relativement sensibles.

Fonctionnement à faible intensité : Non seulement les fusibles électroniques peuvent être conçus pour fonctionner à faible intensité (de l'ordre de 100 milliampères (mA) ou moins), mais ils fonctionnent également bien à des tensions à un chiffre. À ces niveaux, les fusibles thermiques ne peuvent souvent pas être alimentés avec un courant d'auto-échauffement suffisant pour induire la fusion de leur élément fusible.

Réarmable : Selon le modèle, le fusible électronique offre la possibilité de rester coupé après son activation (mode de verrouillage), ou de reprendre son fonctionnement normal si le problème en cours disparaît (mode de relance automatique). Ce dernier paramètre est particulièrement utile dans les situations de courant d'appel transitoire où il n'y a pas de défaut permanent, comme c'est le cas lorsqu'une carte est branchée sur un bus alimenté. Il est également utile lorsque le remplacement du fusible peut s'avérer difficile ou coûteux.

Protection contre le courant inverse : Un fusible électronique peut également fournir une protection contre le courant inverse, ce qu'un fusible thermique ne peut pas faire. Des courants inverses peuvent survenir lorsque la tension à la sortie du système est plus élevée qu'à son entrée. Cela peut se produire avec un ensemble d'alimentations redondantes en parallèle, par exemple.

Protection contre les surtensions : Avec des circuits supplémentaires, le fusible électronique peut également fournir une protection contre les surtensions ou les pointes inductives, en désactivant le FET lorsque la tension d'entrée dépasse le point de déclenchement de surtension défini, et en restant à l'état OFF tant que cette condition de surtension persiste.

Protection contre la polarité inverse : Le fusible électronique peut également fournir une protection contre la polarité inverse, en interrompant rapidement le flux de courant si la source est connectée en inverse. Un exemple est une batterie de voiture qui est inversée pendant un bref instant en raison d'un contact accidentel avec un câble.

Rampe de vitesse de balayage : Certains fusibles électroniques avancés peuvent également fournir une rampe de la vitesse de balayage du courant à la mise hors tension/sous tension définie en contrôlant la transition marche/arrêt du FET de l'élément de régulation, via une commande externe ou en utilisant des composants fixes.

Pour ces raisons, les fusibles électroniques constituent une solution intéressante pour le contrôle du flux de courant. Bien qu'ils puissent être utilisés à la place des fusibles thermiques dans certains cas, les deux types sont souvent associés. Dans une telle configuration, le fusible électronique est utilisé pour une protection localisée à réponse rapide d'un sous-circuit ou d'un circuit imprimé, par exemple dans les systèmes à remplacement à chaud, les applications automobiles, les contrôleurs logiques programmables (PLC) et la gestion de la charge/décharge des batteries ; le fusible thermique complémentaire fournit une protection niveau système contre les défaillances importantes et graves qui nécessitent un arrêt définitif.

De cette façon, le concepteur bénéficie du meilleur des deux mondes, avec toutes les capacités des fusibles électroniques et le fonctionnement clair et sans ambiguïté du fusible thermique, et ce, sans sacrifices ni inconvénients techniques. Bien sûr, comme pour toute décision de conception, il y a des compromis à faire. Dans ce cas, il s'agit d'une augmentation progressive de la surface occupée et d'une nomenclature (BOM) légèrement plus importante.

Choisir un fusible électronique : fonctions et applications

Lors du choix d'un fusible électronique, il y a quelques paramètres de base à prendre en compte. La considération principale est, sans surprise, le niveau de courant auquel le fusible doit agir. Ce niveau peut varier de moins de 1 ampère (A) à environ 10 A, tout comme la tension maximum que le fusible peut supporter à ses bornes. Pour certains fusibles électroniques, ce niveau de courant est fixe, tandis que pour d'autres, il peut être réglé par l'utilisateur via une résistance externe. Les autres facteurs de sélection incluent la vitesse de réponse, le courant de repos, la taille (empreinte), ainsi que le nombre et le type de composants de support externes requis, le cas échéant. En outre, les concepteurs doivent tenir compte de toutes les caractéristiques et fonctions supplémentaires que les différents modèles de fusibles électroniques peuvent offrir.

Par exemple, les PLC sont des applications où les fusibles électroniques sont bénéfiques dans différents sous-circuits pouvant être exposés à des entrées/sorties de capteurs et à une mauvaise connexion électrique. Des pointes de courant se produisent également lors de la connexion de fils ou du remplacement à chaud de cartes. Un fusible électronique tel que le TPS26620 de Texas Instruments est souvent utilisé dans ces applications 24 volts (V). Il est défini pour une limite de 500 mA dans la Figure 2. Il fonctionne de 4,5 V à 60 V jusqu'à 80 mA, avec une limite de courant programmable et une protection contre la surtension, la sous-tension et la polarité inverse. Le circuit intégré peut également contrôler le courant d'appel et fournir une protection robuste contre le courant inverse et les conditions de câblage incorrect sur le terrain pour les modules E/S PLC et les alimentations de capteurs.

Figure 2 : Le fusible électronique TPS26620 de Texas Instruments est illustré avec un réglage pour un déclenchement à un courant de 500 mA dans cette application PLC de 24 V CC. (Source de l'image : Texas Instruments)

Les diagrammes de temporisation dans la Figure 3 pour le TCKE805 de Toshiba, un fusible électronique de 18 V, 5 A, montrent comment un fournisseur a mis en œuvre le mode de relance automatique par rapport au mode de verrouillage. En mode de relance automatique (défini par la broche de raccordement EN/UVLO), la fonction de protection contre la surintensité évite d'endommager le fusible électronique et sa charge en supprimant l'alimentation en cas de défaillance.

Figure 3 : Le fusible électronique 18 V, 5 A TCKE805 de Toshiba utilise une séquence de cycles de test/répétition pour évaluer si le flux de courant peut être rétabli en toute sécurité. (Source de l'image : Toshiba)

Si le courant de sortie, défini par une résistance externe (R_LIM), dépasse la valeur limite de courant (I_LIM) en raison d'une erreur de charge ou d'un court-circuit, le courant de sortie et la tension de sortie diminuent, limitant ainsi la puissance consommée par le circuit intégré et la charge. Lorsque le courant de sortie atteint la valeur limite prédéfinie et qu'une surintensité est détectée, le courant de sortie est bloqué de sorte qu'il ne circule pas plus de courant que la valeur I_LIM. Si la situation de surintensité n'est pas résolue à ce stade, cette condition de blocage est maintenue et la température du fusible électronique continue d'augmenter.

Lorsque la température du fusible électronique atteint la température de fonctionnement de la fonction de blocage thermique, le MOSFET du fusible électronique est désactivé, ce qui arrête complètement le flux de courant. L'opération de relance automatique tente de rétablir le flux de courant en arrêtant le courant, ce qui abaisse la température et annule le blocage thermique. Si la température augmente à nouveau, le cycle se répète et arrête l'opération jusqu'à ce que la situation de surintensité soit éliminée.

En revanche, le mode de verrouillage bloque la sortie jusqu'à ce que le fusible électronique soit réarmé via la broche Enable (EN/UVLO) du circuit intégré (Figure 4).

Figure 4 : En mode de verrouillage, contrairement au mode de relance automatique, le fusible électronique de Toshiba ne se réarme pas tant qu'il n'a pas reçu l'instruction de le faire via la broche Enable du circuit intégré. (Source de l'image : Toshiba)

Certains fusibles électroniques peuvent être configurés pour surmonter les problèmes liés à la détection de courant dans une résistance, comme la chute IR associée qui réduit la tension du rail côté sortie. Par exemple, le STEF033AJR de 3,3 V de STMicroelectronics a un courant nominal maximum et une résistance à l'état passant FET de 3,6 A et 40 milliohms (mΩ), respectivement, pour le boîtier DFN ; et de 2,5 A et 25 mΩ pour le boîtier flip-chip. Dans la connexion classique illustrée à la Figure 5, à des valeurs de courant plus élevées, même une modeste chute IR d'environ 15 millivolts (mV) dans le rail d'alimentation via la résistance à l'état passant peut être significative et inquiétante.

Figure 5 : Dans le câblage classique du STEF033AJR, la résistance qui établit la valeur limite, R-lim, est placée entre deux bornes désignées. (Source de l'image : STMicroelectronics)

La modification de la connexion classique en plaçant la résistance entre la connexion de limite côté positif et la connexion de tension de sortie (V_OUT/Source) implémente une configuration de détection Kelvin qui compense la chute IR (Figure 6).

Figure 6 : Pour réduire les effets de la chute IR, le côté négatif de la résistance de limite est connecté à la sortie de tension (V_OUT/Source). (Source de l'image : STMicroelectronics)

Notez que même si les fusibles électroniques sont des semi-conducteurs et peuvent fonctionner à des tensions à un chiffre, ils ne sont pas limités à cette région basse. Par exemple, les fusibles électroniques de la gamme TPS2662x de Texas Instruments sont conçus pour fonctionner de 4,5 V à 57 V.

Fusible électronique : fabriquer ou acheter ?

En principe, il est possible de construire un fusible électronique de base à partir de composants discrets en utilisant deux FET, une résistance et une inductance. Les premiers fusibles électroniques ont été conçus de cette manière, l'inductance ayant deux fonctions : filtrer la sortie CC et agir en tant que résistance de détection en utilisant la résistance CC de ses enroulements.

Cependant, un fusible électronique amélioré, avec des performances plus cohérentes prenant en compte les caractéristiques de ses composants et les considérations opérationnelles du monde réel, nécessite plus que quelques composants discrets. Même avec des composants additionnels, il ne peut fournir que des fonctionnalités de fusible électronique de base (Figure 7).

Figure 7 : Un fusible électronique avec des fonctionnalités de base utilisant des composants discrets doit anticiper et surmonter ses limites inhérentes. (Source de l'image : Texas Instruments)

La réalité est que l'accumulation de composants discrets actifs et passifs devient rapidement ingérable, qu'elle est sujette à des variations de performances d'une unité à l'autre et qu'elle présente des problèmes liés à la tolérance initiale, au vieillissement des composants et à la dérive induite par la température. En bref, une solution de fabrication discrète présente de nombreuses limites :

• Les circuits discrets utilisent généralement un MOSFET à canal P comme élément de régulation, ce qui est plus coûteux qu'un MOSFET à canal N pour obtenir la même valeur de résistance à l'état passant (R_DS(ON)).
• Les solutions discrètes sont inefficaces car elles incluent la dissipation de puissance dans une diode avec une augmentation correspondante de la température de la carte.
• Il est difficile pour les circuits discrets d'inclure une protection thermique adéquate pour l'élément de régulation FET. En conséquence, cette amélioration critique doit être omise, ou la conception doit être considérablement surdimensionnée pour fournir une aire de sécurité (SOA) appropriée.
• Un circuit discret complet requiert de nombreux composants et un espace carte considérable, et la nécessité de robustesse et de fiabilité du circuit de protection ajoute des composants supplémentaires.
• Bien que la vitesse de balayage de la tension de sortie dans les conceptions discrètes soit ajustable à l'aide de composants de résistance et de condensateur (RC), ces composants doivent être dimensionnés en tenant compte des caractéristiques de grille du FET de régulation.

Même si une solution à composants discrets était acceptable, elle serait limitée dans ses fonctionnalités par rapport à une solution de circuit intégré. Une solution de circuit intégré peut inclure une partie ou la totalité des nombreuses fonctions supplémentaires mentionnées précédemment, comme le montre le schéma fonctionnel du fusible électronique de la Figure 8. De plus, la solution de circuit intégré est plus compacte, fournit des performances plus régulières et entièrement caractérisées, et offre une sécurité d'implémentation qu'une solution à plusieurs composants ne peut pas offrir, et ce, à un coût moindre. Il est à noter que la fiche technique du TPS26620 comporte plusieurs dizaines de graphiques de performances et de diagrammes de temporisation couvrant une variété de conditions de fonctionnement, qui seraient difficiles à créer pour l'approche de fabrication discrète.

Figure 8 : L'aspect extérieur simple d'un fusible électronique aux fonctionnalités complètes masque sa complexité interne, qui serait très difficile à reproduire en utilisant des composants discrets. (Source de l'image : Texas Instruments)

Il existe une autre raison essentielle d'acheter un circuit intégré de fusible électronique standard plutôt que d'emprunter la voie discrète de la fabrication DIY : l'approbation réglementaire. De nombreux fusibles — thermiques et électroniques — sont utilisés pour des fonctions liées à la sécurité afin d'éviter les situations où un courant excessif peut provoquer une surchauffe des composants et éventuellement un incendie, ou causer des dommages aux utilisateurs.

Tous les fusibles thermiques conventionnels sont approuvés par les différentes normes et agences de réglementation pour fournir une coupure du courant à sécurité intégrée lorsqu'ils sont utilisés de manière appropriée. Toutefois, il serait très difficile et fastidieux, voire impossible, d'obtenir les mêmes approbations pour une solution discrète.

En revanche, de nombreux circuits intégrés de fusibles électroniques sont déjà approuvés. Par exemple, les fusibles électroniques de la série TPS2662x sont classifiées UL 2367 (Special-purpose Solid-state Overcurrent Protector) et certifiés CEI 62368-1 (Équipements des technologies de l'audio/vidéo, de l'information et de la communication - Partie 1 : exigences de sécurité). Ils répondent également à la norme CEI 61000-4-5 (Compatibilité électromagnétique (CEM) - Partie 4-5 : Techniques d'essai et de mesure - Essai d'immunité aux ondes de choc). Pour obtenir de telles certifications, ces fusibles électroniques sont testés pour leurs performances dans leur rôle de base et en conditions incluant des températures de fonctionnement minimum et maximum, des températures de stockage et de transport minimum et maximum, des tests anormaux et d'endurance étendus, et des cyclages thermiques.

Conclusion

Les fusibles électroniques, qui utilisent des circuits actifs plutôt qu'un élément fusible pour interrompre le flux de courant, aident les concepteurs à répondre aux exigences telles qu'une coupure rapide, un réarmement automatique et un fonctionnement fiable dans des conditions de faible courant. Ils sont également dotés de diverses fonctionnalités de protection et de vitesses de balayage ajustables. En tant que tels, ils constituent un ajout de valeur au kit de protection des circuits et des systèmes de l'ingénieur.

Comme nous l'avons vu, les fusibles électroniques peuvent remplacer les fusibles thermiques conventionnels, bien que dans de nombreux cas, ils fournissent une protection localisée et sont renforcés par un fusible thermique. Tout comme le vénérable fusible thermique, de nombreux fusibles électroniques sont également certifiés pour une utilisation dans des fonctions liées à la sécurité, ce qui étend leur polyvalence et leur applicabilité.

Lectures complémentaires

1. CEI 62368-1, c'est pour bientôt : la nouvelle norme de sécurité pour les équipements TIC et AV
2. Une alimentation appropriée est essentielle pour répondre aux nouvelles exigences de sécurité des produits grand public CEI/UL CEI-62368
3. Tutoriel sur les fusibles
4. Comment sélectionner et utiliser des technologies intelligentes de détection et de surveillance du courant (au lieu de fusibles)