eFuse를 사용하여 콤팩트한 단락, 과전압, 열 보호 솔루션을 설계하는 방법

작성자: Jeff Shepard

DigiKey 북미 편집자 제공

2021-09-30

가정, 사무실, 산업에서 전자 장치가 만연함에 따라 사용자의 안전과 최대 장치 가동 시간을 보장하기 위해 크기가 작고 비용이 낮으며 리셋 가능/조정 가능한 고속 회로 보호의 필요성이 점점 더 중요해지고 있습니다. 기존의 퓨즈 접근 방식은 차단 전류가 정확하지 않고 응답 시간이 느리며 대개 퓨즈를 교체해야 하는 불편함이 있습니다.

처음부터 적절한 보호 솔루션을 설계할 수도 있지만 리셋 가능한 장치에서 까다로운 대기 시간 및 정밀도 요구 사항을 달성하는 것은 쉽지 않습니다. 또한 이 동일한 솔루션에서 조정 가능한 과전류 보호, 조정 가능한 유입 전류 슬루율, 과전압 클램핑, 역전류 차단 및 열 보호 기능도 제공해야 합니다. 이러한 설계에는 수많은 이산 소자와 여러 IC가 필요한데, 이로 인해 PC 기판의 상당한 영역이 사용되고 비용이 증가되며 출시 시간이 지연됩니다. 여기에, 높은 수준의 신뢰성이 요구되고 IEC/UL62368-1 및 UL2367과 같은 국제 안전 표준을 충족해야 하므로 어려움이 가중됩니다.

이러한 요구 사항을 해결하기 위해 설계자는 대신 전자 퓨즈(eFuse) IC로 전환하여 기존 퓨즈 또는 PPTC 장치보다 약 백만 배 빠른 나노초(ns) 단락 보호 기능을 제공할 수 있습니다.

이 기사에서는 eFuse를 소개하기 전에 속도, 견고성, 소형화, 신뢰성, 비용 효율성이 더 향상된 회로 보호가 필요한 이유와 eFuse의 작동 방식을 설명합니다. 그런 다음 Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation의 몇 가지 eFuse 옵션을 소개하고 이 옵션이 비용 효율적이고 콤팩트하며 강력한 보호에 대한 설계자의 요구를 어떻게 지원하는지 보여줍니다.

회로 보호의 필요성

과전류 상태, 단락, 과부하 및 과전압은 전자 시스템의 기본 회로 보호 요구 사항 중 일부입니다. 과전류 상태에서는 컨덕터를 통해 과도한 전류가 흐릅니다. 이는 높은 수준의 발열과 화재 또는 장비 손상의 위험을 초래할 수 있습니다. 과전류 상태는 단락, 과도한 부하, 설계 결함, 부품 고장, 아크 또는 접지 결함으로 인해 발생할 수 있습니다. 회로와 장치 사용자를 보호하기 위해서는 과전류 보호 기능이 즉시 작동해야 합니다.

과부하 상태는 과전류가 당장 위험하지는 않을 때 존재하지만 장기적 결과는 높은 과전류 상태만큼이나 안전하지 않을 수 있습니다. 과부하 보호는 과부하 수준에 따라 다양한 시간 지연으로 구현됩니다. 과부하 상태가 증가하면 지연이 감소합니다. 과부하 보호는 시간 지연 또는 저속 퓨즈로 구현할 수 있습니다.

과전압 상태는 불안정한 시스템 작동을 초래할 수 있으며 과도한 열을 발생시키고 화재 가능성을 높일 수도 있습니다. 과전압은 또한 시스템 사용자나 작동자에게 즉각적인 위험을 초래할 수 있습니다. 과전류와 마찬가지로 과전압 보호는 해당 소스를 차단하기 위해 신속하게 작동해야 합니다.

일부 응용 제품은 과전압 및 과전류 보호, 시동 유입 전류 제어, 열 보호 및 역전류 차단의 조정 가능한 수준을 포함하여, 안전하고 안정적인 작동을 보장하기 위해 기본적 기능 외에 추가적인 보호 기능의 이점을 얻습니다. 다양한 회로 보호 장치는 이러한 회로 보호 요구 사항의 다양한 조합을 충족할 수 있습니다.

eFuse 작동 방식

eFuse IC는 일반 퓨즈 및 PPTC 장치에 비해 더 광범위한 보호 기능과 더 높은 수준의 제어를 제공합니다(그림 1). eFuse는 고속 단락 보호 외에 정밀한 과전압 클램핑, 조정 가능한 과전류 보호, 조정 가능한 전압 및 전류 슬루율 제어를 제공하여 유입 전류 및 열 차단을 최소화합니다. 내장된 역전류 차단 기능을 제공하는 버전도 있습니다.

일반 퓨즈 또는 PPTC 장치를 대체할 수 있는 eFuse 구성도 그림 1: eFuse는 일반 퓨즈 또는 PPTC 장치를 대체하고 추가적인 보호 기능과 더 높은 수준의 제어를 제공할 수 있습니다. (이미지 출처: Toshiba)

eFuse 성능의 핵심 중 하나는 일반적으로 밀리옴(mΩ) 범위에 있고 높은 출력 전류를 처리할 수 있는 'ON' 저항을 가진 내부 전력 MOSFET입니다(그림 2). 정상 작동 시 전력 MOSFET의 매우 낮은 ON 저항은 VOUT의 전압이 VIN의 전압과 거의 동일하도록 보장합니다. 단락이 감지되면 MOSFET이 매우 빠르게 꺼지고, 시스템이 정상으로 돌아오면 MOSFET 사용을 통해 유입 전류가 제어됩니다.

저 ON 저항 전력 MOSFET 구성도 그림 2: 저 ON 저항 전력 MOSFET(위쪽 가운데)은 eFuse의 빠른 작동 및 제어된 시동 기능을 제공하는 데 있어 핵심입니다. (이미지 출처: Toshiba)

전력 MOSFET 외에도 eFuse의 능동 특성은 여러 성능 이점에 기여합니다(표 1). 일반 퓨즈 및 PPTC는 트리핑 전류에 대한 정확도가 낮은 수동 장치입니다. 이러한 장치는 발생에 시간이 걸리는 줄 발열에 의존하여 반응 시간을 증가시킵니다. 반면 eFuse는 전류를 지속적으로 모니터링하며, 전류가 조정 가능한 전류 제한 레벨의 1.6배에 도달하면 단락 보호가 시작됩니다. eFuse의 초고속 단락 보호 기술은 시작된 후 퓨즈 및 PPTC의 1초 이상의 반응 시간과 비교하여 단 150ns ~ 320ns 만에 전류를 거의 0으로 줄입니다. 이러한 빠른 반응은 시스템 응력을 줄여 견고성을 향상시킵니다. eFuse는 단락에 의해 파괴되지 않으므로 여러 번 사용할 수 있습니다.

표 1: eFuse IC는 퓨즈 및 PPTC(폴리 스위치) 장치에 비해 더 빠른 보호 속도, 더 높은 수준의 정밀도 및 보다 완벽한 보호 기능을 제공합니다. (표 출처: Toshiba)

eFuse는 일회용 장치인 일반 퓨즈와 비교하여 유지 보수 비용 절감 및 복구/수리 시간 단축에 기여합니다. eFuse에서는 다음과 같은 두 가지 유형의 결함 상태 복구를 사용할 수 있습니다. 결함 상태가 제거되면 자동 복구가 정상 작동으로 돌아갑니다. 래치형 보호는 결함 상태가 제거된 후 외부 신호가 인가될 때 복구됩니다. 과전압 및 열 보호 기능의 경우에도 eFuse에서는 제공되지만 일반 퓨즈나 PPTC로는 불가능합니다.

eFuse 선택

적절한 eFuse 선택은 일반적으로 응용 제품의 전력 레일에서 시작됩니다. 5V ~ 12V 전력 레일의 경우 TCKE8xx 계열 eFuse가 적합합니다. 이 장치는 최대 18볼트 입력 및 5암페어(A)에 대해 등급이 지정되었으며 IEC 62368-1 인증을 획득했습니다. 또한 0.5mm 피치와 3.0mm x 3.0mm x 0.7mm(높이) 크기의 WSON10B 패키지로 제공됩니다(그림 3).

고 WSON10B 표면 실장 패키지의 Toshiba eFuse 이미지 그림 3: Toshiba eFuse는 3mm x 3mm, 0.7mm 높이의 WSON10B 표면 실장 패키지로 제공됩니다. (이미지 출처: Toshiba)

TCKE8xx 계열은 외부 저항기에 의해 설정되는 조정 가능한 과전류 제한, 외부 커패시터에 의해 설정되는 조정 가능한 슬루율 제어, 과전압 및 부족 전압 보호, 열 차단, 선택적 외부 역전류 차단 FET를 위한 제어 핀을 포함하여 설계자에게 유연성을 제공합니다.

설계자는 또한 6.04V(5V 시스템)(예: TCKE805NL,RF), 15.1V(12V 시스템)(예: TCKE812NL,RF), 클램핑 없음(예: TCKE800NL,RF)의 세 가지 과전압 클램핑 레벨 중 선택할 수 있습니다(그림 4). 과전압 보호는 모델에 따라 자동 재시도 및 클램핑으로 제공되며 클램핑 레벨은 7%의 정밀도로 설정됩니다. 부족 전압 차단은 외부 저항기를 사용하여 프로그래밍할 수 있습니다. 열 차단은 온도가 섭씨 160도(°C)를 초과할 때 eFuse를 차단하여 과열 상태로부터 IC를 보호합니다. 자동 회복 열 보호 기능이 있는 모델은 온도가 20°C 떨어지면 다시 시작됩니다.

Toshiba TCKE8xx 계열 eFuse 그래프 그림 4: TCKE8xx 계열 eFuse는 클램핑 전압 6.04V(5V 시스템)(TCKE805), 15.1V(12V 시스템)(TCKE812) 및 클램핑 없음(TCKE800)으로 제공됩니다. (이미지 출처: Toshiba)

안정적인 작동을 보장하기 위해 이러한 eFuse에는 설계자가 시작 시 전류 및 전압 램프 속도를 설정할 수 있는 옵션이 포함되어 있습니다(그림 5). 전원을 켜면, 큰 유입 전류가 출력 커패시터로 흘러 들어가 eFuse가 트립되어 불안정한 작동을 초래할 수 있습니다. eFuse의 dV/dT 핀에 있는 외부 커패시터는 전압 및 전류를 위한 시동 램프 속도를 설정하여 불필요한 트립을 방지할 수 있습니다.

전압 및 전류의 시동 램프 속도 구성도 그림 5: 설계자는 eFuse의 안정적 작동을 보장하도록 전압 및 전류의 시동 램프 속도를 설정할 수 있습니다. (이미지 출처: Toshiba)

응용 제품 요구 사항에 따라 설계자는 역전류 차단을 위한 외부 N 채널 전력 MOSFET, 입력 과도 전압으로부터 보호하기 위한 과도 전압 억제(TVS) 다이오드, eFuse의 출력에서 네거티브 전압 스파이크로부터 보호하기 위한 쇼트키 장벽 다이오드(SBD)를 추가할 수 있습니다. 역전류 차단은 핫스왑 디스크 드라이브 및 배터리 충전기와 같은 응용 제품에서 유용할 수 있습니다. 외부 MOSFET은 EFET 핀으로 제어됩니다.

전력 버스에 eFuse의 최대 정격을 초과하는 과도 전압이 발생하는 시스템에는 TVS 다이오드를 추가해야 합니다. 일부 응용 제품에서는 eFuse의 출력에 네거티브 전압 스파이크가 나타날 수 있으며 선택적 SBD는 eFuse뿐 아니라 부하 측의 IC 및 기타 장치를 보호합니다. Toshiba는 외부 MOSFET으로 SSM6K513NU,LF를, TVS 다이오드로 DF2S23P2CTC,L3F를, SBD로 CUHS20S30,H3F를 권장합니다.

그림 6: 입력 과도 전압 보호를 위한 TVS(옵션), 출력 핀의 네거티브 전압 스파이크로부터 보호하기 위한 SBD, 역전류 차단을 위한 외부 MOSFET을 보여주는 TCKE8xx 계열 eFuse의 일반적인 응용 제품입니다. (이미지 출처: Toshiba)

역전류 차단 MOSFET이 내장된 eFuse

가능한 가장 작은 솔루션 및 역전류 차단을 필요로 하는 응용 제품의 경우, 설계자는 두 개의 내부 MOSFET이 포함된 TCKE712BNL,RF eFuse로 전환할 수 있습니다(그림 7). 두 번째 내부 MOSFET과 연결된 성능 저하가 없습니다. 두 MOSFET의 결합된 ON 저항은 외부 차단 MOSFET을 사용할 때와 거의 동일한 53mΩ에 불과합니다.

두 개의 MOSFET이 포함되어 있는 Toshiba TCKE712BNL,RF eFuse 구성도 그림 7: TCKE712BNL,RF eFuse에는 두 개의 MOSFET(위쪽 가운데)이 포함되어 있어 외부 MOSFET 필요 없이 역전류 차단을 실현할 수 있습니다. (이미지 출처: Toshiba)

TCKE8xx 계열의 고정 전압 설계와 비교하여 TCKE712BNL,RF는 4.4V ~ 13.2V의 입력 전압 범위를 가집니다. 이 범위의 가능한 입력 전압을 지원하기 위해 이 장치는 설계자가 특정 시스템 요구 사항을 수용하도록 과전압 보호 수준을 설정할 수 있는 과전압 보호(OVP) 핀이 있습니다. 또한 TCKE712BNL에는 결함 상태의 존재를 나타내는 개방 드레인 신호 출력을 제공하는 FLAG 핀이 추가되었습니다.