Электронный предохранитель eFuse против PPTC и плавкой вставки

Схема на TPS2595

TPS2595 работает от 2,7 до 18 В и пропускает до 4 А через ключ сопротивлением 34 мОм (SLVSE57C). Порог ограничения тока задаёт резистор с вывода ILM на общий провод, скорость нарастания выхода — конденсатор на dVdt. Вывод FLT — открытый сток: при обнаруженной неисправности он притягивается к нулю. Вывод EN/UVLO включает микросхему; при питании ниже 6 В его можно соединить прямо с IN, а делителем задают порог включения по напряжению — TI в примере ставит 1 МОм и 387 кОм для 4,3 В.

Версии отличаются реакцией на перегрев и ограничением выхода (разд. 5): TPS259520, 530, 540, 570 — защёлка, остальные — автоповтор; суффикс 2x ограничивает выход на 3,8 В, 3x — на 5,7 В, 4x — на 13,7 В, 7x — без ограничения. Для шины 5 В подходит TPS25953x: если на вход придёт больше 5,5–5,9 В, выход будет удержан на 5,2–5,7 В.

Расчёт

1. Порог тока. По ур. 6 даташита R_ILM = 2000/(I_LIMIT − 0,04). Для 1,5 А это 1370 Ом — ровно номинал ряда E96. Точность ограничения ±7,5 %, то есть от 1,39 до 1,61 А: нагрузка 1 А проходит с запасом, а пусковые броски модуля ограничиваются. Формулу проверяет таблица TI: 1780 Ом дают 1,17 А типично, 487 Ом — 4,17 А.

2. Пусковой ток. Без конденсатора на dVdt выход при 5 В нарастает со скоростью 21,9 В/мс (разд. 7.6). Если у внешнего модуля на входе 100 мкФ, ток заряда — 100 мкФ · 21,9 В/мс ≈ 2,2 А, больше порога: микросхема при каждом включении уходит в ограничение и греется. С 3,3 нФ на dVdt скорость 11,6 В/мс, ток заряда 1,16 А — ниже порога. Но если модуль начинает потреблять ток ещё во время нарастания, его складывают с током заряда (ур. 12 TI): при 0,3–0,5 А нагрузки сумма подходит к нижней границе порога 1,39 А. Тогда либо модуль включают после того, как выход установился, либо уменьшают ёмкость на его входе. Подробнее о пусковом токе — в статье «Плавный пуск».

3. Потери в работе. Сопротивление ключа — до 53 мОм при 125 °C: при 1 А это 53 мВ и 53 мВт, с RθJA 65,6 °C/Вт — нагрев на 3,5 °C.

4. Короткое замыкание. Замыкание выхода TPS2595 обнаруживает за 5 мкс и сводит ток к порогу. Дальше на ключе всё входное напряжение при токе ограничения: до 5 В · 1,61 А ≈ 8 Вт. По рис. 59 при такой мощности защита от перегрева выключает микросхему примерно через 85 мс при 25 °C и через 20–25 мс при 85 °C, а при 7 Вт (нижняя граница порога, 1,39 А) — через 130 и 30 мс (по графику, ориентировочно). Сработав при 157 °C, вариант с автоповтором ждёт остывания на 5 °C и ещё 93 мс, затем включается снова. Пока замыкание держится, это повторяется циклами, а средняя мощность намного меньше 8 Вт. Шина 5 В на входе при этом не проседает: ток не превышает порога.

5. Сигнал для микроконтроллера. FLT подтянут к 3,3 В резистором 10 кОм; вывод выдерживает до 7 В и втекающий ток до 10 мА. Ток нагрузки можно измерять по напряжению на RILM: 276 мкА/А · 1,37 кОм ≈ 0,38 В при 1 А (разброс коэффициента 249–304 мкА/А при 1 А, почти ±10 %).

Сравнение с PPTC и плавкой вставкой

Самовосстанавливающийся предохранитель — полимерный PTC: при перегрузке он нагревается и его сопротивление скачком растёт. Нормирован двумя токами: удержания (не срабатывает 30 минут) и срабатывания, оба при 23 °C. У MF-MSMF110/16X это 1,1 и 2,2 А, но ток удержания с нагревом падает: 0,77 А при 60 °C и 0,71 А при 70 °C (таблица снижения Bourns). Для нагрузки 1 А в тёплом корпусе нужен MF-MSMF200/8X: 1,45 А удержания при 70 °C. Платой за это стал ток срабатывания 3,5 А при 23 °C: перегрузку между 1,5 и 3,5 А он может не отключить вовсе, а при замыкании током 8 А сработает за время до 2 с. В сработавшем состоянии он рассеивает около 0,8 Вт, то есть продолжает пропускать около 0,16 А при 5 В (наша оценка). Сопротивление в работе — от 0,020 до 0,070 Ом по таблице Bourns.

Плавкая вставка SF-1206F200 на 2 А при номинальном токе не сгорает не меньше 4 часов, а при двойном — сгорает не дольше чем за 60 с. По кривым Bourns вставка на 2 А перегорает примерно за секунду при 4–5 А и за 10 мс при 6–7 А (по графику, ориентировочно). Если источник при замыкании выдаёт меньше, вставка будет греться, а шина — проседать. Зато она надёжно разрывает цепь, если откажет остальная защита, — поэтому её оставляют на входе платы и рядом с eFuse.

Если нужно ещё и защитить шину от обратного тока — например, когда к разъёму могут подключить другой источник, — у TPS25947 два встречных ключа с блокировкой обратного тока и вход, выдерживающий до −15 В. В нём можно выбрать либо активное ограничение тока, либо режим автоматического выключателя, который разрешает кратковременные пики до двойного порога.

Детали

Почему не работает

• Модуль не включается: выход то появляется, то пропадает. Ёмкость на входе модуля велика, и заряд без CdVdt превышает порог тока; при большой ёмкости микросхема перегревается во время пуска. Поставьте конденсатор на dVdt.
• Выход выключился и не включается. Это вариант с защёлкой (x0): после перегрева он ждёт повторной подачи питания или импульса на EN/UVLO.
• Порог тока не тот. RILM меньше 487 Ом или больше 5 кОм — вне рекомендуемого диапазона. При обрыве ILM ток ограничения нулевой и выход не включается, а при замыкании ILM на землю срабатывает аварийное отключение на уровне около 3 А (разд. 7.5).
• При замыкании разъёма всё равно сбрасывается микроконтроллер. Источник 5 В не может отдать ток порога вместе с остальной нагрузкой и проседает. Уменьшите порог (увеличьте RILM) или возьмите источник мощнее.
• eFuse греется при нормальной нагрузке. Проверьте входное напряжение: если оно выше порога ограничения выхода (5,5–5,9 В у TPS25953x), микросхема держит выход на 5,2–5,7 В и рассеивает разность напряжений, умноженную на ток.
• PPTC срабатывает в жару от обычной нагрузки. Ток удержания выбран по 23 °C. Пересчитайте по таблице снижения для наибольшей температуры внутри корпуса.