Elektronische Systeme jeder Art sind häufig rauen Einsatzbedingungen und anderen Bedrohungen ausgesetzt, zu denen elektrostatische Entladungen, elektrisch schnelle Transienten und blitzschlagbedingte Stromstöße gehören. Leistungselektronikentwickler müssen dem Stromkreisschutz deshalb große Bedeutung beimessen, um Systemausfälle zu vermeiden. Das gilt vor allem für industrielle Anwendungen mit 24-V-Versorgung.
Stromkreisschutz-Konzepte können die Stromversorgung und das gesamte System vor Ereignissen wie Überströmen, Kurzschlüssen, eingangsseitigen Inrush-Strömen, Über- und Unterspannungen, verpolten Eingangsspannungen, zum Beispiel durch falsche Verdrahtung, und Rückströmen schützen. Es gibt jedoch verschiedene Verfahren, um industrielle Stromkreise mit einem robusten Schutz zu versehen. Darunter fallen unter anderem die diskrete Implementierung, ein Konzept aus Hot-Swap- und ORing-Controller und die integrierte Implementierung.
Diskrete Implementierung
Diskrete Implementierungen sind die traditionellste Variante des Schutzes von Stromkreisen. Eine diskrete Implementierung besteht zunächst aus einer in Serie geschalteten Leistungs-Diode, die das System vor Verpolung und Rückströmen schützt. Allerdings fällt an der Diode eine Verlustleistung von rund 1 W ab, wenn die Schaltung einen Strom von 2 A aufnimmt, was zu einem Temperaturanstieg auf der Leiterplatte führt. LC-Filter und mehrere TVS-Dioden (Transient Voltage Suppressor) begrenzen eingangsseitige Transienten bei Stromstoß-
prüfungen (IEC 6100-4-5).
Damit alle Schutzanforderungen erfüllt werden nutzt die Implementierung einen high-seitigen PFET-Schalter (Polymerer Feldeffekttransistor), sowie bipolare Sperrschicht-Transistoren (BJTs), Operationsverstärker, Z-Dioden, Widerstände und Kondensatoren. Die Lösung benötigt deshalb viel Platz und verursacht einen hohen Materialaufwand. Außerdem bietet sie keinen Überhitzungsschutz, und ihre
Strombegrenzungs-Eigenschaften sind zusätzlich temperaturabhängig.
Mithilfe einer traditionellen Schmelzsicherung kann die diskrete Implementierung auch Schutz vor Kurzschlüssen bieten, jedoch vergehen bei einer Schmelzsicherung einige Millisekunden, bis der Kurzschlussstrom unterbrochen wird. Diese Zeit kann bereits ausreichen, um den angeschlossenen Verbrauch zu zerstören.
Hot-Swap- und ORing-Controller
Ein weiteres Schutzkonzept besteht aus einem Hot-Swap-Controller und einem ORing-Controller. Um das Design effizienter und zuverlässiger zu machen, wird hier auf externe FETs zurückgegriffen. Leider ist auch diese Implementierung nicht frei von Nachteilen, die mit der Ansteuerung der externen FETs, dem externen Messwiderstand und der Implementierung einer zusätzlichen Schaltung für den Verpolungsschutz zusammenhängen. Außerdem ist es wegen der auf externen FETs basierenden Architektur schwierig, den Übertemperaturschutz zu realisieren und die Einhaltung des sicheren Arbeitsbereichs (SOA) zu gewährleisten. Besser als die diskrete Implementierung ist diese Lösung auf jeden Fall, jedoch eignet sie sich nicht für Systeme mit beengten Platzverhältnissen, wie E/A-Module.
Integrierte Implementierung (eFuse)
Besser wäre es natürlich, wenn die gesamte diskrete Implementierung in einer einzigen integrierten Schaltung konzentriert ist – mit Ausnahme weniger Bauteile, wie den TVS-Dioden, Widerständen und Kondensatoren. Tatsächlich fasst eine eFuse in der Regel alle aufgezählten Schutzfunktionen in einem Baustein zusammen – effizient und mit niedrigem Designaufwand. Neben dem Stromkreisschutz bieten eFuse-Komponenten noch weitere Features wie Spannungs- und Stromüberwachung und eine Fehlersignalisierung für die Systemdiagnose. Der SOA-Schutz der FETs und der robuste Übertemperaturschutz gewährleisten sowohl den Schutz der eFuse selbst, als auch des angeschlossenen Verbrauchers unter rauen Umgebungsbedingungen. Die eFuse eignet sich besonders für Anwendungen mit wenig Platz, denn die Integration hilft die Größe der Systemlösung um mehr als die Hälfte zu
verringern.
Zu den Lösungen dieser Art gehört der TPS2660, das erste eFuse-Produkt der Industrie mit integrierten 60-V-Back-to-Back-FETs. Dieser Baustein ist für neue Designs definitiv eine Überlegung wert, denn er schützt vor Inrush-Strömen, Überströmen, Kurzschlüssen, verpolter Eingangsspannung, Überspannung und Unterspannung. Eine Stromüberwachung und eine Fehler-Signalisierung für die Systemdiagnose ergänzen die Feature-Ausstattung. Die integrierte 60-V-Back-to-Back-FET-Architektur ermöglicht das Design robuster Schaltungen und schützt die angeschlossenen Lasten nicht nur bei Industriestandard-Tests wie IEC 61000-4-5 (Stoßspannung) und
IEC 61000-4-4 (EFT), sondern auch bei Spannungseinbruch- und Spannungsunterbrechungs-Tests gemäß IEC 61131-2.
Ein robustes und effizientes Schutzkonzept für die Stromversorgung ist von hoher Bedeutung für das Design elektronischer Systeme. Integrierte Schutzbausteine ermöglichen Designern eine einfachere und effizientere Implementierung und eine schnellere Markteinführung ihrer Systeme.
