Utilizzare gli interruttori intelligenti per dispositivi di alimentazione per contrastare i limiti delle soluzioni semplici

"Semplice è meglio". Questo è il primo comandamento dei progettisti, ma è anche una buona pratica ingegneristica. Dopotutto, più componenti si aggiungono, più cose possono andare storte o causare problemi imprevisti. Senza contare l'ovvio impatto sulla distinta base.

Tuttavia, ogni affermazione di questo tipo ha molte eccezioni legittime. Ed è particolarmente vero quando si cerca di ottenere un progetto robusto, "a prova di bomba", che funzioni in circostanze normali ed estreme, sopportando le sollecitazioni prevedibili e inevitabili. Per una superiore integrità, si potrebbe anche voler ridurre la dipendenza dall'unità microcontroller (MCU) del sistema per gestire gli eventi di disturbo e affidarsi invece a un hardware integrato più veloce e affidabile, con un software minimo o anche senza software.

Si pensi all'interruttore di alimentazione basato su MOSFET, ampiamente utilizzato nel settore automotive e in altre applicazioni per sostituire i tradizionali relè elettromeccanici. Decine di questi interruttori a stato solido forniscono un semplice controllo on/off per i rail di alimentazione di motore, trasmissione, illuminazione, frenata, cablaggio e controllo delle sospensioni. Questi interruttori a semiconduttore hanno una durata superiore a un milione di cicli e, a differenza dei relè elettromeccanici, non sono soggetti a guasti dei contatti dovuti all'attrito, all'invecchiamento, a gas o ai carburi nel difficile ambiente automotive.

La costruzione di un interruttore on/off per uso generale è concettualmente semplice. Tuttavia, questi interruttori basati su MOSFET possono guastarsi a causa di cortocircuiti e transitori che si verificano quando si commutano circuiti ad alta energia durante l'avvio o il funzionamento regolare. Di conseguenza, l'interruttore deve essere abbinato a vari componenti protettivi che assorbono l'energia per trasformarsi in un dispositivo più sofisticato. Questi componenti aggiuntivi possono essere collocati all'esterno dell'interruttore MOSFET o all'interno del suo contenitore, trasformandolo in un interruttore di base per dispositivi di alimentazione intelligenti (IPD) (Figura 1).

Figura 1: Un semplice MOSFET può funzionare come interruttore di alimentazione (a sinistra), ma non ha i componenti che assorbono l'energia (a destra) per proteggerlo dal mondo reale dei transitori e dei cortocircuiti inevitabili. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor, modificata dall'autore)

Non siamo alla fine della storia

La protezione non si limita all'uso di componenti adeguati abbinati all'interruttore di alimentazione. Quasi tutti i rail che trasportano corrente devono essere protetti per evitare che una corrente eccessiva danneggi l'interruttore o il suo circuito di carico. Queste situazioni di sovracorrente sono spesso il risultato di un guasto all'interno del carico.

Si potrebbe pensare che la soluzione per la protezione da sovracorrenti sia facile e nota: basta installare un fusibile basilare ad attivazione termica in linea con il rail di alimentazione. In caso di sovracorrente, il fusibile si attiva e passa in modalità circuito aperto, interrompendo completamente il flusso di corrente dannosa.

La soluzione del fusibile funziona sicuramente ma, per certi versi, funziona troppo bene. Una volta che il fusibile si è bruciato, l'MCU del sistema non è in grado di capire cosa stia succedendo al modulo di carico, e non è neppure in grado di gestirlo.

Per questo motivo, molti circuiti critici utilizzano anche una funzione di monitoraggio della corrente. Ciò consente all'MCU di leggere un segnale di errore rilevato dal CI di rilevamento della sovracorrente e di inviare segnali all'interruttore IPD per avviare lo spegnimento o cicli ripetuti di spegnimento/riavvio, a seconda delle variabili della situazione.

Tuttavia, ciò può comportare un funzionamento instabile del circuito o altri malfunzionamenti. Diversamente, gli interruttori IPD avanzati della famiglia AECQ-100 di ROHM Semiconductor offrono funzioni di protezione senza che debba intervenire l'MCU. Questi dispositivi qualificati per il settore automotive (AEC-Q100) sono disponibili come interruttori low-side o high-side in configurazioni a canale singolo o doppio. Sono disponibili in vari contenitori a 8 pin e supportano diversi livelli di tensione e corrente.

Ad esempio, BD1HD500FVM-CTR è un interruttore a canale singolo, high-side, con una resistenza nello stato ON (RDSon) di 500 mΩ e un limite di corrente di 1,45 A in un contenitore MSOP a 8 conduttori. Mentre l'interruttore BV1LB025EFJ-CE2 è un dispositivo low-side a canale singolo con un RDSon di 45 mΩ e un limite di corrente di 13 A in un contenitore HSSOP-C16.

La famiglia di interruttori IPD AECQ-100 può fornire un livello minimo di corrente durante il funzionamento della protezione, in modo che il circuito continui a funzionare (se possibile) pur generando un segnale di errore. Ciò consente di effettuare "chiamate" di emergenza durante il funzionamento del circuito in caso di anomalie non fatali.

Inoltre, questi interruttori IPD avanzati prevengono l'interruzione del circuito, che si può verificare qualora il carico meccanico aumenti a causa dell'invecchiamento, con conseguente aumento dei livelli di assorbimento di corrente. Consentendo il funzionamento indipendente senza passare attraverso un MCU, si riduce il numero di componenti necessari per questa funzionalità e si migliora l'affidabilità (Figura 2).

Figura 2: Lo spegnimento è l'unica opzione quando si utilizza un interruttore IPD standard. Tuttavia, un interruttore IPD ROHM supporta sia la protezione contro le correnti di inserzione che il funzionamento in stato stazionario dopo che la protezione contro le correnti di inserzione è stata attivata. (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Un'altra considerazione riguarda i fusibili. I fusibili standard con margini operativi ben definiti impediscono l'interruzione involontaria dovuta a una maggiore corrente di inserzione durante la fase di accensione del sistema o del modulo (Figura 3, in alto). Tuttavia, questo cuscinetto o "mascheramento" interferisce con l'impostazione del limite desiderato.

Per contro, gli interruttori IPD di ROHM sono in grado di proteggere dalla corrente di inserzione ed eliminano la necessità di un mascheramento. (Figura 3, in basso).

Figura 3: Un fusibile termico convenzionale ha una regione di ambiguità che maschera e scoraggia l'attivazione involontaria dovuta alle correnti di inserzione (in alto), mentre l'interruttore IPD di ROHM ha soglie e limiti più sofisticati (in basso). (Immagine per gentile concessione di ROHM Semiconductor)

Il risultato è un rilevamento di alta precisione anche di piccole anomalie di corrente durante il funzionamento a regime. Allo stesso tempo, poiché è possibile continuare a fornire una corrente minima al modulo di carico invece di interromperne il funzionamento immediatamente dopo il verificarsi di un'anomalia, un MCU di sistema può ancora tentare di accedere al modulo per la manutenzione preventiva, rilevando al contempo le anomalie durante il funzionamento.

Uno sguardo al quadro generale

L'uso di dispositivi di alimentazione integrati da vari componenti e funzionalità di protezione è un passo necessario ma non sufficiente per implementare una gestione efficace dei rail di alimentazione, soprattutto in ambienti difficili come quelli automotive. In situazioni di sovracorrente sono necessarie protezione e flessibilità aggiuntive.

Conclusione

La semplicità della progettazione è un obiettivo meritevole, ma le considerazioni e le sottigliezze del mondo reale spesso fanno sì che un po' di sofisticatezza in più sia un approccio prudente e migliore nella pratica. Utilizzando gli interruttori IPD della famiglia AECQ-100 di ROHM, è possibile raggiungere l'affidabilità, la flessibilità e i vantaggi di un dispositivo di alimentazione a stato solido con un numero inferiore di componenti, ottenendo al contempo una protezione che i fusibili non possono offrire.

Contenuto correlato

Interruttori IPD per il settore automotive con Nick Ikuta

https://www.digikey.com/en/videos/r/rohm-semiconductor/ipd-automotive-switches-with-nick-ikuta

Modulo didattico/tutorial: Interruttori su dispositivi di alimentazione intelligenti (IPD)

https://www.digikey.com/en/ptm/r/rohm-semiconductor/ipd-switches/tutorial