전자 퓨즈를 효율적으로 사용하여 민감한 회로를 보호하는 방법과 이유

온도 퓨즈는 150년 이상 기본 회로 보호 장치로 사용되고 있습니다. 온도 퓨즈는 효과적이고, 안정적이고, 간편하면서, 가격과 종류가 다양하므로 다양한 설계 목표를 충족할 수 있습니다. 하지만, 매우 빠른 전류 차단과 자체 리셋 기능을 지원하면서 상대적으로 낮은 전류값으로 작동하는 퓨즈를 찾는 설계자에게는 피할 수 없는 단점이 있습니다. 이러한 설계자에게는 전자 퓨즈(eFuse 또는 e-Fuse)가 탁월한 솔루션입니다. 전자 퓨즈는 온도 퓨즈를 대체하는 경우도 있지만 대체로 온도 퓨즈를 보완합니다.

eFuse는 알려진 저항기를 통과하는 전압을 측정한 후 설계 한도를 초과할 경우 전계 효과 트랜지스터(FET)를 통해 전류 흐름을 차단하는 간단한 전류 감지 개념을 기반으로 합니다. eFuse는 온도 퓨즈가 제공할 수 없는 특징, 유연성 및 기능을 제공합니다.

이 기사에서는 eFuse의 작동 방식을 설명합니다. 그런 다음 활성 회로 퓨즈의 특징, 추가 기능 및 효과적인 사용에 대해 살펴봅니다. 그 과정에서 Texas Instruments, Toshiba Electronic Devices and Storage 및 STMicroelectronics의 예제 솔루션을 소개하고 효과적인 사용법을 간략히 살펴봅니다.

eFuse의 작동 방식

기존 온도 퓨즈의 작동 원리는 간단하고, 잘 알려져 있으며, 안정적입니다. 즉, 퓨즈 링크를 통과하는 전류가 설계값을 초과하면 해당 소자가 가열되다가 녹습니다. 그러면 전류 경로가 차단되어 전류가 0으로 떨어집니다. 퓨즈의 등급과 유형, 과전류의 양에 따라 온도 퓨즈는 수백 밀리초에서 몇 초 이내에 반응하여 전류 경로를 열 수 있습니다. 물론 모든 능동 소자 부품 및 수동 소자 부품과 마찬가지로 원칙적으로 간단하고 완전한 이 수동 소자 장치에도 변종, 세부 요소 및 미묘한 작동 차이가 있습니다.

반면에 전자 퓨즈는 다양한 원칙에 따라 작동합니다. 전자 퓨즈는 몇 가지 동일한 기능을 제공하지만 새롭고 다른 기능과 특징을 추가로 갖고 있습니다. 기본적인 eFuse 개념은 간단합니다. 즉, 부하로 흐르는 전류가 FET 및 감지 저항기를 통과하며, 감지 저항기를 통과하는 전압을 통해 전류를 모니터링합니다. 전류가 사전 설정된 값을 초과하면, 제어 논리에서 FET를 끄고 전류 흐름을 차단합니다(그림 1). 공급선 및 부하와 연결되는 FET는 과도한 전류 저항(IR) 강하 또는 전력 낭비를 포함하지 않도록 온스테이트 저항이 매우 낮아야 합니다.

그림 1: eFuse에서는 공급 장치에서 부하로 흐르는 전류가 감지 저항기를 통과하므로, 저항기를 통과하는 전압을 통해 전류가 모니터링됩니다. 전류가 설정된 값을 초과하면 제어 논리에서 FET를 끄고 부하로 흐르는 전류를 차단합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

eFuse는 단순히 클래식 수동 소자 온도 퓨즈의 더 복잡한 능동 소자 버전처럼 보일 수도 있습니다. 그런 면도 있지만 eFuse는 다음과 같은 몇 가지 고유한 특성을 제공합니다.

속도: eFuse는 차단 반응 시간이 마이크로초에 불과한 빠르게 작동하는 장치이며, 나노초로 응답을 제공하도록 설계되기도 합니다. 이는 상대적으로 민감한 IC 및 수동 소자 부품을 탑재한 오늘날의 회로에 중요합니다.

저전류 작동: eFuse는 100mA 이하의 낮은 전류로 작동하도록 설계할 수 있지만, 한 자리의 낮은 전압으로도 작동할 수 있습니다. 이러한 수준에서 온도 퓨즈는 퓨즈 링크가 녹는 데 충분한 자가 가열 전류를 공급할 수 없습니다.

리셋 가능: 특정 모델에 따라 eFuse는 작동 후에도 유지되거나(래치 오프 모드), 전류 장애가 완화될 경우 다시 정상 작동할 수 있습니다(자동 재시도 모드). 자동 재시도 모드 설정은 "영구적" 장애가 없는 과도 유입 전류 상황(예: 기판을 전력 버스에 연결할 때 발생)에 특히 유용합니다. 또한 퓨즈를 교체하기 어렵거나 교체 비용이 많이 드는 경우에도 유용합니다.

역전류 보호: eFuse는 역전류 보호 기능을 제공할 수 있지만, 온도 퓨즈는 제공할 수 없습니다. 역전류는 시스템 출력 전압이 입력 전압보다 큰 경우에 발생할 수 있습니다. 예를 들어 병렬로 배치된 이중화 전원 공급 장치 세트에서 발생할 수 있습니다.

과전압 보호: 일부 추가 회로망에서 eFuse는 입력 전압이 설정된 과전압 회로 차단점을 초과하면 FET를 차단하고 과전압 조건이 지속될 경우 차단 상태를 유지하여, 서지 또는 유도 킥으로부터 과전압 보호를 제공할 수도 있습니다.

역극성 보호: eFuse는 전원이 반대로 연결될 경우 전류 흐름을 빠르게 차단하여 역극성 보호를 제공할 수 있습니다. 예를 들어 우발적인 케이블 접촉으로 인해 차량 배터리가 잠시 동안 반대로 연결될 수 있습니다.

슬루율 램프: 일부 고급 eFuse는 외부 제어 또는 고정 부품을 통해 직렬 요소 FET 켜기/끄기 전환을 제어하여 정의된 전력 차단/전원 켜기 전류 슬루율 램프를 제공할 수 있습니다.

이러한 이유로 eFuse는 매력적인 전류 흐름 제어 솔루션입니다. 경우에 따라 eFuse를 온도 퓨즈 대신에 사용할 수도 있지만, 두 퓨즈를 연결하는 경우도 있습니다. 그런 배열에서 eFuse는 핫스왑(핫플러그) 시스템, 자동차 응용 분야, 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC), 배터리 충전/방전 관리 등에서 서브 회로 또는 pc 기판에 대한 국소화된 빠른 응답 보호를 위해 사용됩니다. 또한, 보완적인 온도 퓨즈로 확실한 영구 차단이 필요한 중대한 대규모 고장에 대한 시스템 수준의 보호를 제공합니다.

이러한 방식으로 설계자는 eFuse의 모든 기능과 온도 퓨즈의 모호하지 않고 명확한 작동을 활용하여 두 구성의 최고 성능을 끌어냅니다. 이때 기술적인 트레이드오프나 단점은 없습니다. 물론 설계 시 다른 결정과 마찬가지로 몇 가지 트레이드오프는 있습니다. 이 경우 공간이 증가하고 부품 명세서(BOM)의 비용이 약간 더 높습니다.

eFuse 선택: 기능 및 적용 분야

eFuse를 선택할 때 고려해야 할 몇 가지 기본 파라미터가 있습니다. 최상위 고려 사항은 당연히 퓨즈가 작동하는 전류 레벨입니다. 이 레벨은 일반적으로 1A 미만부터 최고 약 10A까지이며, 퓨즈가 단자를 통해 견딜 수 있는 최고 전압도 고려해야 합니다. eFuse에 따라 이 전류 레벨이 고정적인 경우도 있고, 외부 저항기를 통해 사용자가 설정할 수 있는 경우도 있습니다. 다른 선택 요소에는 응답 속도, 정동작 전류, 크기(실장 면적), 필요한 외부 지원 부품(있는 경우)의 개수 및 유형이 있습니다. 또한 설계자는 다른 eFuse 모델에서 제공할 수 있는 추가적인 특성 및 기능을 고려해야 합니다.

예를 들어 PLC는 eFuse가 센서 I/O 및 전력 연결 오류가 발생하기 쉬운 다양한 서브 회로에서 유용한 응용 분야입니다. 또한 전선이 연결되거나 기판이 핫스왑되는 전류 서지가 있습니다. 이러한 24V 응용 분야에서는 Texas Instruments TPS26620과 같은 eFuse가 자주 사용됩니다. 그림 2에서는 500mA 제한에 대한 설정이 표시되어 있습니다. 이 장치는 최고 80mA에서 작동 범위가 4.5V ~ 60V이며 프로그래밍 가능한 전류 제한, 과전압, 부족 전압 및 역극성 보호를 지원합니다. 또한 이 IC는 PLC I/O 모듈과 센서 전원 공급 장치 모두에 대해 유입 전류를 제어하고 역전류 및 잘못된 현장 배선 조건으로부터 강력하게 보호할 수 있습니다.

그림 2: Texas Instruments TPS26620 eFuse는 이 24V DC PLC 응용 분야에서 500mA 전류로 작동하도록 설정되어 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

Toshiba TCKE805(18V, 5A eFuse)에 대한 그림 3의 타이밍 구성도는 한 벤더가 자동 재시도 모드와 래치 모드를 구현한 방법을 비교하여 보여줍니다. EN/UVLO 패키지 핀으로 설정되는 자동 재시도 모드에서 과전류 보호 기능은 장애 상황에서 전력 소비를 억제하여 eFuse 및 부하 손상을 방지합니다.

그림 3: Toshiba TCKE805 18V, 5A eFuse는 테스트 및 반복 주기 시퀀스를 사용하여 전류 흐름을 복구해도 안전한지 여부를 평가합니다. (이미지 출처: Toshiba)

부하 오류 또는 회로 단선으로 인해 외부 저항기(R_LIM)에 의해 설정되는 출력 전류가 제한 전류값(I_LIM)을 초과할 경우 IC 및 부하에서 소비되는 전력을 제한하여 출력 전류와 출력 전압이 감소합니다. 출력 전류가 사전 설정된 제한값에 도달하고 과전류가 감지되면 I_LIM을 초과하는 전류가 흐르지 않도록 출력 전류가 클램핑됩니다. 이 단계에서 과전류 상황이 해결되지 않을 경우 이 클램핑된 조건이 유지되고 eFuse 온도가 계속 상승합니다.

eFuse 온도가 과열 시 전원 차단 기능 작동 온도에 도달하면 eFuse MOSFET이 꺼져서 전류 흐름을 완전히 차단합니다. 자동 재시도 기능이 전류를 차단하여 온도를 낮추고 과열 시 전원 차단 기능을 해제함으로써 전류 흐름을 복구하려고 시도합니다. 온도가 다시 상승하면 주기가 반복되고 과전류 상황이 해결될 때까지 작동을 멈춥니다.

반면에 래치 모드에서는 IC의 Enable(EN/UVLO) 핀을 통해 eFuse를 리셋할 때까지 출력을 클램핑합니다(그림 4).

그림 4: 자동 재시도 모드와 달리 래치 모드에서 Toshiba eFuse는 IC의 활성화 핀을 통해 지시할 때까지 eFuse가 리셋되지 않습니다. (이미지 출처: Toshiba)

일부 eFuse는 저항기를 통한 전류 감지와 관련한 문제(예: 출력 측 레일 전압을 낮추는 연결된 IR 강하)를 해결하도록 구성될 수 있습니다. 예를 들어 STMicroelectronics 3.3V STEF033AJR의 최대 정격 전류와 FET 온스테이트 저항값은 DFN 패키지의 경우 각각 3.6A 및 40mΩ이고, 플립 칩의 경우 2.5A 및 25mΩ입니다. 그림 5에 표시된 기존 연결에서는 더 높은 전류값에서 온스테이트 저항을 통과하는 공급 레일의 약 15mV의 평범한 IR 강하에도 큰 문제가 될 수 있습니다.

그림 5: STEF033AJR의 기존 배선에서 제한값 R-lim을 설정하는 저항기가 두 지정된 단자 사이에 배치됩니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

양극 측 제한 연결과 출력 전압 연결(V_OUT/Source) 사이에 저항기를 배치하는 방식으로 기존 연결을 수정하여 IR 강하를 보완하는 켈빈 감지 배열을 구현합니다(그림 6).

그림 6: 전류 감지 IR 강하 효과를 줄이려면 제한 저항기의 음극 측을 전압 출력(V_OUT/Source)에 연결합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

eFuse는 반도체이고 한 자리 전압으로도 작동할 수 있지만, 그 정도로 낮은 영역으로 제한되지 않습니다. 예를 들어 Texas Instruments TPS2662x 제품군에 속하는 eFuse의 정격 작동 전압은 4.5V ~ 57V입니다.

eFuse: 제작 대 구매

원칙적으로 두 개의 FET(저항기 및 인덕터)를 사용하여 이산 소자 부품에서 기본 eFuse를 제작할 수 있습니다. 초기의 eFuse는 이런 방식으로 제작되었으며, 인덕터는 두 가지 용도로 사용됩니다. 즉, DC 출력을 필터링하고 권선의 DC 저항을 사용하여 감지 저항기 역할을 수행합니다.

하지만 부품의 특성과 실제 작동을 고려하여 보다 일관된 성능을 제공하는 향상된 eFuse는 적지 않은 이산 소자 부품이 필요합니다. 추가 부품에도 불구하고 기본적인 eFuse 기능만 제공할 수 있습니다(그림 7).

그림 7: 이산 소자 부품을 사용하여 기본 기능을 제공하는 eFuse는 내재하는 제한을 예상하여 극복해야 합니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

실제로 누적된 능동 및 수동 이산 소자 부품은 다루기 까다롭고 장치별 성능 차이가 발생하기 쉬우며 초기 허용 오차 범위, 부품 노화 및 온도 유도 드리프트와 관련된 문제가 있습니다. 요약하면, DIY "제작" 이산 소자 솔루션에는 다음과 같은 여러 제한 사항이 있습니다.

• 이산 소자 회로는 일반적으로 P채널 MOSFET을 직렬 요소로 사용합니다. P채널 MOSFET은 동일한 온스테이트 저항값(R_DS(ON))을 기준으로 N채널 MOSFET보다 더 비쌉니다.
• 이산 소자 솔루션은 기판 온도 상승에 상응하는 다이오드 통과 내전력을 포함하므로 비효율적입니다.
• 이산 소자 회로는 직렬 요소 FET에 적절한 열 차단 기능을 포함하기 어렵습니다. 따라서 중대한 향상이 필요하거나, 적절한 안전 작동 영역(SOA)을 제공하기 위해 과도한 크기로 설계해야 합니다.
• 포괄적인 이산 소자 회로는 많은 부품과 상당히 넓은 공간이 필요하며, 보호 회로 내구성과 신뢰성이 필요할 경우 추가 부품이 필요합니다.
• 이산 소자 설계의 출력 전압 슬루율은 저항기 및 커패시터(RC) 부품을 사용하여 조정할 수 있지만, 직렬 FET의 게이트 특성을 신중하게 파악하여 부품의 크기를 지정해야 합니다.

이산 소자 부품 솔루션은 허용되더라도 IC 솔루션에 비해 기능적인 제한이 있습니다. 그림 8 eFuse 제품 구성도에 표시된 대로 IC 솔루션은 앞서 언급한 많은 추가 기능 중 일부 또는 전부를 포함할 수 있습니다. 또한 IC 솔루션은 더 작고 더 일관적이며 완전 특성화된 성능을 제공하며, 다중 부품 솔루션에서 제공할 수 없는 "편안함"과 경제성을 제공합니다. TPS26620 규격서에는 다양한 작동 조건을 보여주는 수십 가지 성능 그래프와 타이밍 구성도가 나와 있습니다. 이는 이산 소자 "제작" 방식에 대해서는 나타내기 어렵습니다.

그림 8: 모든 기능을 갖춘 eFuse의 단순한 외형과 모양으로 인해 내부의 복잡성이 숨겨집니다. 따라서 이산 소자 부품을 사용하여 나타내는 데 큰 어려움이 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

DIY 이산 소자 라우트 대신 표준 eFuse IC를 구매해야 하는 다른 중요한 이유가 있습니다. 바로 규제 승인입니다. 대부분의 퓨즈(온도 퓨즈 및 eFuse)는 과도한 전류로 인해 부품이 과열되어 화재가 발생하거나 사용자에게 해를 입히는 조건을 방지하는 안전 관련 기능에 사용됩니다.

모든 기존 온도 퓨즈는 다양한 규제 기관에서 표준에 따라 적절히 사용할 경우 고장 방지 전류 차단 기능을 제공하는 것으로 승인받았습니다. 하지만 이산 소자 솔루션에 대해 동일한 승인을 받으려면 매우 어렵고 시간이 오래 걸리며, 아예 불가능할 수도 있습니다.

반면에 대부분의 eFuse IC는 이미 승인되어 있습니다. 예를 들어 TPS2662x 계열 eFuse는 UL 2367 인증("특수 목적 무접점 과전류 보호기") 및 IEC 62368-1 인증(오디오/비디오, 정보 및 통신 기술 장비 ‑ 1부: 안전 요구 사항)을 받았습니다. 또한 IEC 61000-4-5("전자파 적합성(EMC) - 4부-5부: 테스트 및 측정 기술 - 서지 내성 테스트")를 충족합니다. 승인을 받기 위해 eFuse는 최소 및 최대 작동 온도, 최소 및 최대 보관 및 운반 온도, 포괄적인 비정상 및 내성 테스트, 열 순환을 포함하는 조건에서 기본 역할에 대한 성능 테스트를 거칩니다.

결론

퓨즈 링크 대신 능동 소자 회로망을 사용하여 전류 흐름을 차단하는 eFuse를 사용하면 설계자가 저전류 조건에서 빠른 차단, 자체 리셋 및 안정적인 작동 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 또한 eFuse는 다양한 보호 기능과 조정 가능한 슬루율을 제공합니다. 따라서 엔지니어의 회로 및 시스템 보호 부품 키트에 추가되는 중요한 요소입니다.

앞서 설명한 대로 eFuse는 기존 온도 퓨즈를 대체할 수 있지만, 대부분의 경우 국소화된 보호를 제공하고 온도 퓨즈에 의해 보완됩니다. 유서 깊은 온도 퓨즈와 마찬가지로 대부분의 eFuse는 다양성과 응용 분야를 확장하여 안전 관련 기능에 사용하도록 인증되었습니다.

추가 자료

1. "예정된 IEC 62368-1: ICT 및 AV 장비를 위한 새로운 안전 표준"
2. "새로운 IEC/UL IEC-62368 소비자 가전 제품 안전 규정을 준수해야 하는 전원 공급 장치"
3. "Fuse Tutorial(퓨즈 튜토리얼)"
4. "스마트 전류 감지 및 모니터링 기술을 선택하고 적용하는 방법(퓨즈 대체)"