Sind die Funktionen und Möglichkeiten von elektronischen Sicherungen die zusätzliche Komplexität wert? Fragen Sie Automobilelektroniker

Die thermisch aktivierte Schmelzverbindung - besser bekannt als Schmelzsicherung - begleitet uns schon seit den Anfängen der Elektrizität und des elektrischen Stroms. Eine Sicherung erfüllt eine Aufgabe, und zwar eine sehr gute: Sie geht von einem nahezu perfekten Stromleiter in einen nahezu idealen offenen Stromkreis über, und zwar in einem Zeitraum von einigen Millisekunden bis zu mehreren Sekunden (je nach Modell), wenn der Strom zu hoch ist und die daraus resultierende Hitze das Element zum Schmelzen bringt.

Sobald eine Sicherung ausgewählt wurde, ist die Installation und Verwendung eine unkomplizierte Übung, da es keine Anschlussoptionen, Initialisierungsschritte oder Konfigurationseinstellungen gibt. Es handelt sich lediglich um ein Bauteil mit zwei Anschlüssen, das den Schutz kritischer Schaltkreise gewährleistet und gleichzeitig die Einhaltung zahlreicher gesetzlicher und sicherheitstechnischer Vorschriften erleichtert.

Sicherungen gibt es in zahllosen Ausführungen und Stromstärken, wobei einige häufiger vorkommen als andere. Zu den gebräuchlichsten Sicherungsarten gehören die 3AG-Glassicherung (1/4 Zoll Durchmesser, 1¼ Zoll lang), die häufig in kleineren kommerziellen und industriellen Produkten sowie in einigen netzbetriebenen Konsumgütern verwendet wird, und die Blattsicherung, die häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt wird (Abbildung 1).

Abbildung 1: Der 3AG-Sicherungstyp war einer der ersten massentauglichen Sicherungstypen und wird immer noch verwendet (links); die Automobilindustrie ging schließlich zu dünneren Blattsicherungen über (rechts). (Bildquelle: Littelfuse, Inc.)

Ironischerweise ist die Bezeichnung 3AG die Abkürzung für „Size 3 Automotive Glass“ und wurde ursprünglich in den 1930er Jahren für Automobile entwickelt. Als jedoch die Anzahl der Sicherungen in einem Fahrzeug zunahm, ging die Automobilindustrie dazu über, die 3AG zu ersetzen und entwickelte Blattsicherungen.

Trotz ihrer vielen positiven Eigenschaften und ihres beispiellosen Erfolgs, der durch die Millionen (oder sind es Milliarden?) dieser Sicherungen, die jedes Jahr verwendet werden, belegt wird, ändern sich die Zeiten und die Anforderungen an das Design. In den letzten Jahren hat sich die elektronische Sicherung (meist als eFuse oder e-Fuse bezeichnet) zu einer weit verbreiteten Alternative - oder Ergänzung - zur Thermosicherung entwickelt. Einige Designs verwenden beides, mit eFuses für den lokalen Stromkreisschutz und thermischen Sicherungen für den Schutz auf Systemebene.

Zu den wichtigsten Merkmalen der eFuse gehört ihre schnelle Reaktionszeit von Millisekunden oder weniger, aber das ist noch nicht alles. Während viele eFuses zunächst auf den Schutz von Teilstromkreisen, wie z. B. Hot-Swap-Anwendungen, abzielten, wurden einige eFuses bald nach den entsprechenden UL- und IEC-Normen zertifiziert, so dass sie auch für den sicherheitsbezogenen Schutz zugelassen werden konnten.

eFuses, die über die grundlegende Stromabschaltung hinausgehen

Da es sich bei eFuses um siliziumbasierte Halbleiterbauelemente handelt, folgten sie bald dem Weg anderer einfacher ICs, indem sie zusätzliche Merkmale und Funktionen erhielten. Dazu gehören benutzerprogrammierbare Stromschwellenwerte, selbsthaltende Ausgänge, optionale automatische Wiedereinschaltung, Power-Good-Signal, Strompegelüberwachung, Rückstromsperre und thermische Abschaltung.

Die TPS25210ARPWR von Texas Instruments ist beispielsweise eine eFuse für 2,7 bis 5,7 Volt und 4 Ampere (A) mit einem Widerstand von 31 Milliohm (mΩ) und einer Reaktionszeit von typisch 500 Nanosekunden (ns) (Abbildung 2). Der Benutzer kann die Stromgrenze von 0,5 A bis 4,44 A über einen externen Strommesswiderstand einstellen.

Die TPS25210ARPWR ist eine einfache eFuse für moderate Stromstärken; sie enthält einige nützliche Funktionen, die über die einfache Stromabschaltung bei Überschreiten des Schwellenwerts hinausgehen. (Bildquelle: Texas Instruments)

Zusätzlich zu der grundlegenden Sicherungsfunktion schützt diese eFuse vor Überlast, Kurzschluss, Überspannung, Verpolung und übermäßigem Einschaltstrom. Für Anwendungen mit speziellen Anforderungen an den Einschaltstrom können Entwickler die Ausgangsanstiegsgeschwindigkeit mit einem einzigen externen Kondensator einstellen. Lasten werden vor Eingangsüberspannungen geschützt, indem der Ausgang auf eine sichere, feste, per Pin wählbare Maximalspannung begrenzt wird.

eFuses wie diese bieten eine lange Liste von Funktionen und haben die ansonsten „stumme“ Sicherungsfunktion intelligenter, flexibler und informativer und nützlicher für das System gemacht, das sie schützen soll. Dies steht in krassem Gegensatz zu den herkömmlichen Thermosicherungen mit ihrem festen Nennstrom.

Nicht nur eine einfache eFuse

Die eingeschränkte Funktionalität und die fehlende I/O-Verbindung der Schmelzverbindung stehen im Widerspruch zu den Anforderungen der heutigen intelligenten, vernetzten Fahrzeuge. Im Gegensatz dazu machen die vielen Möglichkeiten von eFuses sie besonders attraktiv für Anwendungen im Automobilbereich. Aus diesem Grund hat die Industrie eFuses entwickelt, die die strengen Anforderungen der Automobilindustrie erfüllen und viele gewünschte Zusatzfunktionen enthalten.

Ein Beispiel ist der kürzlich vorgestellte VNF1048F von STMicroelectronics, ein AEC-Q100-qualifizierter High-Side-Schaltregler, der für Stromverteilungsanwendungen im Automobilbereich vorgesehen ist. Er kombiniert verbesserte Systemschutz- und Diagnosefunktionen mit der „I²-t“-Halbleiter-Sicherungstechnologie von STMicroelectronics (Abbildung 3).

Abbildung 3: Der AEC-Q100-qualifizierte VNF1048F ist eine eFuse, enthält aber auch einen High-Side-Schaltregler sowie viele andere Funktionen und Anschlussmöglichkeiten. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Der VNF1048F ist mit 12-, 24- und 48-Volt-Stromversorgungssubsystemen für Kraftfahrzeuge kompatibel und eignet sich aufgrund seiner Flexibilität für die neuesten elektronischen/elektrischen Zonenarchitekturen in Kraftfahrzeugen, die die Effizienz und Zuverlässigkeit erhöhen und gleichzeitig die zunehmende Elektrifizierung und zusätzliche Funktionen für intelligentes Fahren unterstützen.

Die I²-t-Funktion bietet einen schnell reagierenden, rücksetzbaren und zuverlässigen Überstromschutz. Halbleitersicherungen tragen auch zur Vereinfachung des Kabelbaums und zur Gewichtsreduzierung bei, da die für den Benutzer zugänglichen Sicherungskästen und die dazugehörige Verkabelung entfallen.

Der funktionsreiche und anpassungsfähige VNF1048F verfügt über eine serielle 32-Bit-Peripherieschnittstelle (SPI), die mit 3,3-Volt- und 5-Volt-CMOS-Logikpegeln kompatibel ist und einem Host-Mikrocontroller die Konfiguration und Überwachung von Systemschutz- und Diagnosefunktionen ermöglicht. Zu diesen Funktionen gehören ein Unterspannungs- und Übertemperaturschutz, eine zweistufige Ladungspumpe für die externe MOSFET-Ansteuerung sowie ein MOSFET-Überhitzungsschutz, eine Entsättigungsabschaltung und I²-t-Sicherungseinstellungen.

Die hochpräzise digitale Strommessung erfolgt über einen externen High-Side-Shuntwiderstand. Der Baustein enthält außerdem Analog/Digital-Wandler (ADCs) zur Überwachung der temperatursensitiven Thermistorspannung (V_NTC), der Ausgangsspannung (V_OUT) und der MOSFET-Drain-Source-Spannung (V_DS).

Ein vollwertiger und hochfunktionaler intelligenter Controller wie der VNF1048F bietet mehr als nur die Integration einiger Funktionen. Er bietet auch eine ausgeklügelte integrierte Zustandsmaschine, die dafür sorgt, dass seine Leistung, Aktionen und Reaktionen mit den Anforderungen des überwachten Systems übereinstimmen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das Zustandsdiagramm für den Betrieb und die Sequenzierung des VNF1048F zeigt deutlich, wie und warum er viel mehr als nur eine einfache eFuse ist. (Bildquelle: STMicroelectronics)

Entsprechend seinem hohen Funktions- und Integrationsgrad ist der VNF1048F in einem 52-seitigen Datenblatt dokumentiert. Jeder, der dieses Bauteil verwenden möchte, sollte bereit sein, die vielen Modi, Funktionen, Initialisierungen und Einstellungen, die dieses Bauteil unterstützt, gründlich zu studieren; es gibt eine Menge Hausaufgaben zu erledigen, bevor man es verwendet.

Dieser letzte Punkt deutet auf mögliche Probleme bei der Verwendung solch hochentwickelter Komponenten hin. Einer der Vorzüge der einfachen, altmodischen Thermosicherung ist, dass sie nach der Auswahl des geeigneten Bauteils fast keinen weiteren Entwicklungsaufwand erfordert. Sie setzen die Sicherung einfach in die Schaltung ein, und das war's: keine Funktionen, die initialisiert werden müssen, keine Parameter, die eingestellt werden müssen, keine Protokollentscheidungen, die getroffen werden müssen, kein Herunterladen über eine Verbindung. Im Gegensatz dazu erfordern fortschrittliche eFuses mehr Zeit und Aufwand für die Entwicklung sowie mehr Zeit für die Fehlersuche.

Fazit

Es ist ein Teil des ewigen Dilemmas bei der Entwicklung: Halten Sie es einfach und akzeptieren Sie eine begrenzte Flexibilität, oder entscheiden Sie sich für eine fortschrittlichere Komponente, von der Sie wissen, dass sie mehr Arbeit bei der Implementierung erfordert? Im Fall von eFuses und dank der zunehmenden Komplexität und Flexibilität von Automobilkonstruktionen scheint sich der Aufwand zu lohnen.

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