Utiliser des commutateurs IPD pour surmonter les limites des solutions simples

« Faire simple » est une recommandation de conception bien connue et une bonne pratique technique. Après tout, plus on ajoute de composants, plus il y a de risques de problèmes imprévus. Et cela s'ajoute à l'impact évident sur la nomenclature (BOM).

Néanmoins, toutes les recommandations de ce type impliquent de nombreuses exceptions légitimes. C'est particulièrement vrai lorsque l'on s'efforce de créer une conception « en béton » capable de fonctionner dans des circonstances normales et extrêmes, et d'endurer des contraintes prévisibles et inévitables. Pour une meilleure intégrité, on peut également chercher à réduire la dépendance au microcontrôleur (MCU) système pour gérer les événements perturbateurs et s'appuyer plutôt sur des éléments matériels intégrés plus rapides et plus fiables, avec peu ou pas de logiciels.

Pensez au commutateur basé MOSFET, qui est fréquemment utilisé dans les applications automobiles et autres pour remplacer les relais électromécaniques traditionnels. Des dizaines de ces commutateurs à semi-conducteurs offrent une commande marche/arrêt simple pour les rails d'alimentation qui alimentent les commandes de moteur, de transmission, d'éclairage, de freinage, de câblage et de suspension. Ces commutateurs à semi-conducteurs ont une durée de vie d'un million de cycles et, contrairement aux relais électromécaniques, ils ne sont pas sujets à la défaillance des contacts due à la friction, au vieillissement, aux gaz ou aux carbures présents dans les environnements automobiles difficiles.

D'un point de vue conceptuel, la construction d'un commutateur marche/arrêt à usage général est simple. Toutefois, ces commutateurs basés MOSFET peuvent être endommagés par des courts-circuits et des transitoires qui surviennent lors de la commutation de circuits à haute énergie au démarrage et pendant le fonctionnement normal. Par conséquent, pour devenir un dispositif plus sophistiqué, le commutateur doit être entouré de divers composants de protection qui absorbent l'énergie. Ces composants supplémentaires peuvent être situés à l'extérieur du commutateur MOSFET ou à l'intérieur de son boîtier, le transformant ainsi en commutateur IPD (Intelligent Power Device) (Figure 1).

Figure 1 : Un simple MOSFET peut fonctionner comme un commutateur (à gauche), mais n'a pas les composants d'absorption de l'énergie (à droite) nécessaires pour le protéger contre les inévitables transitoires et courts-circuits. (Source de l'image : ROHM Semiconductor, modifiée par l'auteur)

L'histoire ne s'arrête pas là

La protection ne se limite pas à utiliser des composants adaptés autour du commutateur. Presque tous les rails porteurs de courant nécessitent une protection pour éviter qu'un courant excessif n'endommage le commutateur ou son circuit de charge. Ces situations de surintensité sont souvent le résultat d'un défaut dans la charge.

On pourrait penser que la solution pour garantir une protection contre la surintensité est simple et bien connue : installer tout simplement un fusible de base activé thermiquement en ligne avec le rail d'alimentation. En cas de surintensité, le fusible s'active et passe en mode de circuit ouvert, coupant ainsi totalement le flux de courant néfaste.

Certes, cette solution basée sur un fusible fonctionne, mais d'une certaine manière, elle fonctionne même trop bien. Une fois que le fusible saute, le microcontrôleur système ne peut plus obtenir d'informations sur ce qui se passe au niveau du module de charge et ne peut plus le gérer.

C'est la raison pour laquelle de nombreux circuits critiques utilisent également une fonction de surveillance du courant. Cela permet au microcontrôleur de lire un signal d'erreur détecté par le circuit intégré de détection de surintensité et d'envoyer des signaux au commutateur IPD afin de déclencher l'arrêt ou des cycles répétés d'arrêt/redémarrage, selon les nuances de la situation.

Cependant, cela peut entraîner un fonctionnement instable du circuit ou d'autres dysfonctionnements. En revanche, les commutateurs IPD avancés de la gamme AECQ-100 de ROHM Semiconductor offrent une fonctionnalité de protection sans intervention du microcontrôleur. Ces dispositifs de grade automobile (AEC-Q100) sont disponibles en tant que commutateurs bas potentiel ou haut potentiel dans des configurations à un seul canal ou à deux canaux. Ils sont proposés dans différents boîtiers à 8 broches et prennent en charge plusieurs niveaux de tension et de courant.

Par exemple, le BD1HD500FVM-CTR est un commutateur haut potentiel à un seul canal avec une résistance à l'état passant (R_DS(ON)) de 500 milliohms (mΩ) et une limite de courant de 1,45 ampère (A) dans un boîtier MSOP à 8 sorties. À l'inverse, le BV1LB025EFJ-CE2 à un canal est un commutateur bas potentiel avec une valeur R_DS(ON) de 45 mΩ et une limite de courant de 13 A dans un boîtier HSSOP-C16.

La gamme AECQ-100 de commutateurs IPD peut fournir un niveau de courant minimum lors du fonctionnement en mode protection, de sorte que le circuit continue de fonctionner (si possible) tout en générant un signal d'erreur. Il est ainsi possible d'effectuer des « appels » d'urgence pendant le fonctionnement du circuit en cas d'anomalies non fatales.

Par ailleurs, ces commutateurs IPD avancés empêchent les coupures au niveau du circuit. Celles-ci peuvent se produire si la charge mécanique augmente en raison du vieillissement du système, ce qui entraîne des niveaux de consommation de courant accrus. En permettant un fonctionnement indépendant sans passer par un microcontrôleur, le nombre de composants requis pour cette fonctionnalité est réduit tandis que la fiabilité est améliorée (Figure 2).

Figure 2 : L'arrêt est la seule option lors de l'utilisation d'un commutateur IPD standard. Toutefois, un commutateur IPD de ROHM prend en charge à la fois la protection contre les courants d'appel et le fonctionnement en régime permanent une fois cette protection assurée. (Source de l'image : ROHM Semiconductor)

Il y a un autre point à prendre en compte en ce qui concerne les fusibles. Les fusibles standard avec des marges de fonctionnement bien définies empêchent les coupures involontaires dues à un courant d'appel plus élevé lors de la phase de mise sous tension du système ou du module (Figure 3, en haut). Cependant, cette sécurité ou ce « masquage » interfère avec le réglage de la limite souhaitée.

À l'inverse, les commutateurs IPD de ROHM peuvent assurer une protection contre le courant d'appel tout en éliminant la nécessité d'utiliser un masquage (Figure 3, en bas).

Figure 3 : Un fusible thermique traditionnel présente une zone d'ambiguïté qui masque et empêche toute activation involontaire due aux courants d'appel (en haut), tandis que le commutateur IPD de ROHM possède des limites et des seuils plus sophistiqués (en bas). (Source de l'image : ROHM Semiconductor)

Il en résulte une détection très précise des anomalies de courant, même mineures, pendant le fonctionnement en régime permanent. Dans le même temps, comme un courant minimum peut toujours être fourni au module de charge au lieu d'arrêter son fonctionnement immédiatement après l'apparition d'une anomalie, le microcontrôleur du système peut toujours essayer d'accéder au module pour la maintenance préventive tout en détectant les anomalies pendant le fonctionnement.

Vue d'ensemble

L'utilisation de dispositifs de puissance soutenus par différents composants et diverses fonctionnalités de protection constitue une étape à la fois nécessaire et insuffisante pour mettre en œuvre une gestion efficace des rails d'alimentation, en particulier dans les environnements automobiles difficiles. Une protection et une flexibilité supplémentaires sont nécessaires dans les situations de surintensité.

Conclusion

La simplicité de conception est un objectif louable, mais dans la pratique, certaines considérations et subtilités du monde réel impliquent souvent qu'un peu plus de sophistication constitue une approche plus prudente et préférable. En utilisant les commutateurs IPD de la gamme AECQ-100 de ROHM, vous bénéficiez de la fiabilité, de la flexibilité et des avantages d'un dispositif de puissance à semi-conducteurs avec moins de composants, tout en obtenant une protection que les fusibles ne peuvent pas offrir.

Contenu connexe

Commutateurs automobiles IPD avec Nick Ikuta

https://www.digikey.fr/fr/videos/r/rohm-semiconductor/ipd-automotive-switches-with-nick-ikuta

Module de formation/tutoriel sur les commutateurs IPD (Intelligent Power Device)

https://www.digikey.fr/fr/ptm/r/rohm-semiconductor/ipd-switches/tutorial