eFuse를 사용할 때 가중되는 복잡성을 감수할 만한 기능과 성능 측면에서 가치가 있는지에 대한 자동차 설계자들의 의견

보통은 퓨즈라고 불리는 기본적 열 활성화 가용성 링크는 전기 및 전력의 초창기 시절부터 우리와 함께해 왔습니다. 퓨즈는 단 한 가지 역할을 하며, 그 일을 잘 수행합니다. 과도한 전류와 그에 따른 열이 퓨즈의 소자를 녹일 때, 몇 밀리초에서 몇 초(모델에 따라 다름)의 시간 동안 거의 완벽한 전류 도체 상태에서 거의 이상적인 단선의 상태로 바뀝니다.

일단 퓨즈를 선택한 후에는 연결 옵션, 초기화 단계 또는 구성 설정 등의 단계가 필요하지 않으므로, 설치와 사용이 간단합니다. 퓨즈는 간단한 2단자 장치로서 중요한 회로 보호 기능을 제공하는 동시에 많은 관련 규정과 안전 요구 사항을 보다 쉽게 ​​충족할 수 있는 설계가 가능하도록 합니다.

퓨즈는 셀 수 없는 다양한 유형의 물리적 구성과 전류 정격의 형태로 제공되며, 일반적으로 구하기 쉬운 것도 있고 아닌 것도 있습니다. 보다 일반적인 퓨즈 스타일로는 소형 상용 및 산업용 제품뿐만 아니라 일부의 유선 연결 소비자 제품에도 자주 사용되는 3AG 유리관 퓨즈(지름 1/4인치, 길이 1¼인치)와 자동차 응용 분야에서 널리 사용되는 블레이드 퓨즈가 있습니다(그림 1).

그림 1: 3AG 퓨즈 스타일은 최초의 소비자 시장용 퓨즈 스타일 중 하나였으며 현재에도 여전히 사용되고 있습니다(왼쪽). 자동차 산업에서는 더 얇은 블레이드 스타일의 퓨즈 형태로 점점 전환되었습니다(오른쪽). (이미지 출처: Littelfuse, Inc.)

아이러니하게도, 3AG라는 명칭은 'Size 3 Automotive Glass'의 줄임말이며 원래는 1930년대에 자동차용으로 설계되었습니다. 그러나 차량에 들어가는 퓨즈 수가 증가함에 따라 자동차 산업은 3AG에서 벗어나며 블레이드 퓨즈를 개발했습니다.

매년 사용되는 수백만 개의 퓨즈(또는 수십억 개?)에서 입증된 바와 같이, 수많은 긍정적인 특성과 타의 추종을 불허하는 성공에도 불구하고, 시대와 설계 요구 사항은 변화합니다. 최근 몇 년 동안 전자 퓨즈(eFuse 또는 e-Fuse로 일반적으로 표기)가 온도 퓨즈의 대체품 또는 보완품으로 널리 사용되고 있습니다. 국부적 회로 보호를 위한 eFuse와 시스템 차원 보호를 위한 온도 퓨즈를 동시에 사용하는 경우도 있습니다.

기본 eFuse의 주요한 기능 중 하나는 밀리초 이하의 빠른 응답 시간을 들 수 있지만, eFuse 기능은 이것뿐만이 아닙니다. 많은 eFuse가 초창기에는 핫 스왑 응용 분야와 같은 서브 회로 보호를 목표로 했지만, 일부 eFuse는 적절한 UL 및 IEC 표준에 대한 인증을 바로 받아 안전 관련 보호 사용을 위한 승인을 받았습니다.

기본 전류 차단 기능을 넘어서는 eFuse의 기능

eFuse는 실리콘 기반의 무접점 장치이기 때문에, 다른 기본 IC의 개발 경로처럼 추가적인 특징과 기능을 빠르게 더했습니다. 여기에는 사용자가 프로그래밍 가능한 전류 임계값, 래칭 출력, 선택적 자동 재시도, 전력 양호 신호, 전류 수준 모니터링, 역전류 차단 및 과열 시 전원 차단이 포함됩니다.

예를 들자면 Texas Instruments TPS25210 ARPWR은 2.7 ~ 5.7볼트, 4암페어(A), 31밀리옴(mΩ) eFuse로, 응답 시간은 500나노초(ns)(통상)입니다(그림 2). 사용자는 외부 전류 감지 저항기를 통해 0.5A ~ 4.44A 사이의 전류 제한값을 설정할 수 있습니다.

TPS25210ARPWR은 중간 정도의 전류 수준을 위한 기본 eFuse입니다. 임계값을 초과할 경우 전류를 차단하는 기본 기능 이외에도 몇 가지 유용한 기능을 추가로 포함하고 있습니다. (이미지 출처: Texas Instruments)

이러한 eFuse는 기본 퓨즈 기능 외에도 과부하, 회로 단락, 전압 서지, 역극성 및 초과 유입 전류로부터 제품을 보호합니다. 특정 유입 전류 요구가 있는 응용 제품의 경우 설계자는 단일 외부 커패시터를 통하여 출력 슬루율을 설정할 수 있습니다. 과전압 입력으로부터 로드를 보호하는 방법은 안전하고, 고정된, 핀 선택 가능한 최대 전압으로 출력을 고정하는 것입니다.

이와 같은 eFuse는 수많은 기능을 제공하며, 기존 퓨즈 형태의 '단순했던' 퓨즈 기능을 더 똑똑하고, 더 유연하며, 보호 대상의 시스템에 더 유익하고 유용하게 만들었습니다. 이는 고정된 전류 정격만 가지고 있던 기존 온도 퓨즈와는 뚜렷한 대조를 이룹니다.

지금까지 알고 있던 기본적 eFuse가 아닙니다

가용성 링크의 제한된 기능과 I/O 연결성의 부족은 오늘날의 스마트 네트워크 차량의 요구 사항과 상충합니다. 이와는 대조적으로, eFuse의 많은 기능은 자동차 응용 분야에 특히 매력적입니다. 이러한 이유로 업계에서는 엄격한 자동차 자격 요건을 충족하고 요구되는 많은 추가 기능을 통합하는 eFuse를 개발했습니다.

한 가지 예는 STMicroelectronics에서 최근 출시한 VNF1048F로, 자동차 전력 분배 응용 제품으로 고안된 AEC-Q100 인증 하이사이드 스위치 컨트롤러입니다. 이 제품은 고급 시스템 보호 및 진단 기능을 STMicroelectronics의 'I²-t' 실리콘 퓨즈 기술과 통합합니다(그림 3).

그림 3: AEC-Q100 인증의 VNF1048F는 eFuse이면서 동시에 다른 많은 기능 및 연결 옵션과 함께 하이사이드 스위치 컨트롤러를 포함합니다. (이미지 출처: STMicroelectronics)

12V, 24V 및 48V 자동차 전력 서브 시스템과 호환되는 VNF1048F의 유연성은 효율성과 신뢰성을 높이는 최신 자동차 내의 '구역별 구분'(zonal) 전자/전기 아키텍처에 적합할 뿐만 아니라 스마트 운전을 위한 향상된 전기화와 추가 기능도 지원합니다.

I²-t 기능은 빠르게 작동하고, 리셋 가능하며, 안정적인 과전류 보호 기능을 제공합니다. 또한 실리콘 퓨즈는 사용자가 접근할 수 있는 퓨즈 박스와 관련 케이블을 제거하여 차량 배선 하니스를 단순화하고 무게를 줄이는 데 도움이 됩니다.

다양한 기능을 갖추고 적응력이 뛰어난 VNF1048F는 3.3V 및 5V CMOS 논리 레벨과 호환되는 32비트 직렬 주변 장치 인터페이스(SPI: Serial Peripheral Interface)를 갖추고 있어 호스트 마이크로 컨트롤러가 시스템 보호 및 진단 기능을 구성하고 모니터링할 수 있습니다. 이러한 기능에는 저전압 및 과열 보호, 외부 MOSFET 구동용 2스테이지 충전 펌프, MOSFET 열 보호, 불포화 차단 및 I²-t 퓨즈 설정이 포함됩니다.

외부 하이사이드 션트 저항기를 사용하는 고정밀 디지털 전류 감지 기능이 내장되어 있습니다. 추가로 이 장치에는 온도 감지 서미스터 전압(V_NTC), 출력 전압(V_OUT) 및 MOSFET 드레인 소스 전압(V_DS)을 모니터링하기 위한 아날로그-디지털 변환기(ADC)가 통합되어 있습니다.

VNF1048F와 같은 모든 기능을 갖춘 고기능 스마트 컨트롤러는 단순히 느슨하게 연관된 기능을 통합하는 것을 넘어서는 것을 제공합니다. 이러한 컨트롤러는 모니터링 대상 중인 기계의 요구사항과 그 컨트롤러의 기능, 작동, 반응이 유기적으로 통합되도록 보장해주는 고급 상태 표시 장치를 내장하고 있습니다(그림 4).

그림 4: 작동 및 시퀀싱을 통하여 왜 VNF1048F가 기본적 eFuse를 넘어서는지 그 방법과 이유를 명확하게 보여주는 상태 구성도 (이미지 출처: STMicroelectronics)

VNF1048F는 높은 수준의 기능성과 통합에 상응하는 52페이지에 달하는 데이터시트에 문서화되어 있습니다. 이 장치를 사용하려는 사람은 이 장치가 지원하는 다양한 모드, 기능, 초기화 및 설정에 대해 진지하게 연구할 준비가 되어 있어야 합니다. 이를 사용하기 전에 해야 할 과제가 많습니다.

위의 논점은 이러한 정교한 부품을 사용할 때 발생할 수 있는 우려 사항을 보여줍니다. 평범한 구식 온도 퓨즈의 장점 중 하나는 일단 적절한 장치를 선택하기만 하면 추가 설계 작업이 거의 필요하지 않다는 점입니다. 단지 회로에 퓨즈를 끼우기만 하면 되었습니다. 초기화할 기능, 설정할 매개 변수, 프로토콜 결정, 링크를 통한 다운로드 같은 것이 없었습니다. 이와는 대조적으로, 고급 eFuse는 설계에 있어서 더 많은 시간과 노력을 요구할 뿐만 아니라 디버깅에 들어가는 노력을 고려하는 것까지 요구합니다.

결론

이것은 엔지니어링 설계의 영원한 딜레마 중 하나입니다. 즉 '단순성을 유지함과 동시에 제한된 유연성을 받아들일 것인가, 아니면 구현에 더 많은 작업이 필요하다는 것을 인정하며 더 고급 부품에 힘을 쏟을 것인가?'의 딜레마입니다. eFuse의 경우, 자동차 설계의 복잡성과 유연성 요구 사항의 증가가 큰 부분을 차지하고 있기 때문에 이러한 어려움은 감수할 만한 충분한 가치가 있는 것으로 여겨집니다.

관련 내용

'eFuse 사용을 통한 편의성 획득: eFuse에서 제공하는 여러 유용한 특징'

https://www.digikey.com/en/blog/get-comfortable-with-efuses-they-have-many-useful-features

'전자 퓨즈를 효율적으로 사용하여 민감한 회로를 보호하는 방법과 이유'

https://www.digikey.com/en/articles/why-and-how-to-effectively-use-electronic-fuses

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

https://www.digikey.com/en/articles/how-to-use-efuses-to-design-compact-short-circuit-overvoltage-and-thermal-protection-solutions