Gestire i picchi di potenza non è più un compito per componenti passivi. Scopriamo come integrare eFuse e controller hot-swap per una protezione dinamica, compatta e autoripristinante.
L’integrazione dei componenti nei moderni sistemi elettronici migliora le prestazioni aumentando la funzionalità. La maggior parte di questi sistemi utilizza dispositivi elettronici sensibili e costosi (FPGA, ASIC, microprocessori / microcontrollori, ecc.) che necessitano di protezione. Le soluzioni tradizionali come fusibili, resistori a coefficiente di temperatura positivo, diodi e circuiti discreti (inclusi fusibili, FET, MOSFET e diodi) sono imprecise, più lente a rispondere e mancano di configurabilità e ripetibilità.
Pertanto, la protezione attiva dei circuiti mediante eFuse e soluzioni hot-swap ha iniziato a sostituire i circuiti di protezione front-end discreti in molte applicazioni [1], [2]. Gli eFuse con protezione attiva dei circuiti necessitano spesso di una protezione aggiuntiva per proteggerli da eventi transitori. Gli eventi transitori più comuni includono hot plugging, interruzione improvvisa di corrente, sovratensioni, commutazione forzata e tensioni inverse.
Ognuno di questi eventi sottopone il dispositivo a un sovraccarico elettrico, causandone il guasto. In questo articolo parleremo della sovrasollecitazione elettrica (EOS) e del processo di progettazione dei componenti di protezione dai transitori in un’applicazione server aziendale eFuse da 200 A, comprese le considerazioni sul posizionamento e sul layout del circuito stampato (PCB).
Comprendere l’EOS
L’Industry Council on ESD definisce l’electrical overstress [3] “quando un limite massimo per la tensione ai capi, la corrente passante o la potenza dissipata nel dispositivo viene superato e causa danni o malfunzionamenti immediati, oppure danni latenti che comportano una riduzione imprevedibile della sua durata di vita”. Tra queste condizioni, vi è la sovratensione che può aprire percorsi di corrente indesiderati, come la rottura diretta o inversa di diodi o ossidi che raggiungono la loro tensione di rottura all’interno dei circuiti integrat. Una volta che una sovratensione apre un percorso di corrente indesiderato, le correnti risultanti possono causare danni che includono la fusione del silicio; la fusione di interconnessioni metalliche; danni termici al materiale di packaging; e la fusione dei fili di collegamento, portando a danni fisici indotti elettricamente (EIPD).
È possibile collegare EOS ai valori massimi assoluti specifici dei valori di tensione di un dispositivo:
- Regione A: area operativa sicura.
- Regione B: Nessuna garanzia sulla funzionalità del dispositivo o sulle specifiche dei parametri. Sebbene non siano previsti danni fisici, un funzionamento prolungato potrebbe presentare problemi di affidabilità.
- Regione C: oltre i valori massimi assoluti, si verifica un grave degrado della durata del dispositivo e un rischio di guasto latente.
- Regione D: si prevede che subisca danni fisici immediati.
Come illustrato nella Figura 1, è normale che si verifichino problemi quando il dispositivo funziona oltre il valore nominale massimo assoluto. Ecco perché la soppressione delle sovratensioni transitorie oltre il valore nominale massimo assoluto richiede una protezione.
Figura 1. Interpretazione delle valutazioni massime assolute in EOS.
Esempio di sistema server aziendale
Gli eFuse sono ampiamente utilizzati nei moduli server rack nella parte frontale per la protezione degli ingressi e per abilitare la funzionalità hot-swapping. La Figura 2 mostra la tipica architettura di distribuzione dell’alimentazione di un server rack, in cui l’ingresso proviene da un backplane a 12 V e viene quindi distribuito dall’eFuse a tutti i carichi a valle. Il percorso di alimentazione, che coinvolge il backplane, le tracce del PCB e i connettori di interfaccia, introduce un’induttanza parassita (L) che crea tensioni transitorie indesiderate durante gli eventi di guasto.
Figura 2. Tipico diagramma a blocchi della distribuzione dell’alimentazione di un server rack da 12 V.
Analizziamo quantitativamente l’impatto di L sull’eFuse, come illustrato nella Figura 3. In caso di cortocircuito in uscita, l’eFuse interrompe istantaneamente una grande quantità di corrente da circa 200 A (sovracorrente) a 0 A (spegnimento per protezione) entro 1 µs, con conseguente grande transitorio di corrente (di/dt), come mostrato nell’equazione 1:
Questa corrente verrà intrappolata come energia nell’induttanza parassita e produrrà un picco, espresso dall’equazione 2:
Tale sovratensione di -20 V sarà in serie con l’alimentazione di ingresso a 12 V e creerà effettivamente un picco di tensione positivo di 32 V, superando il valore massimo assoluto di 20 V VIN del fusibile elettronico TPS25984B di Texas Instruments (TI). Analogamente, l’induttanza di uscita crea un picco di tensione negativo sull’uscita.
Per evitare questo problema, un diodo soppressore di tensione transitoria (TVS) blocca le tensioni sul lato positivo, mentre un diodo Schottky a bassa tensione diretta blocca le tensioni sul lato negativo. Un’attenta selezione di questi componenti è necessaria per garantire una protezione affidabile del sistema.
Figura 3. Tensioni induttive causate da un’interruzione improvvisa della corrente in un interruttore di potenza.
Selezione del diodo TVS
Un diodo TVS è progettato per proteggere i componenti elettronici dai picchi di tensione. Il diodo TVS inizia a funzionare quando la tensione sul diodo supera l’avalanche breakdown potential. La Figura 4 mostra il grafico della curva corrente-tensione di un diodo TVS.
Figura 4. Caratteristiche del diodo TVS.
Come si può vedere nella Figura 4, la tensione di clumping è una funzione della corrente, che il diodo TVS cortocircuita, e della resistenza dinamica (RD) del diodo TVS. Anche in questo caso, la resistenza dinamica è funzione delle dimensioni del package del diodo e della durata temporale (tP) del cortocircuito prodotto dal diodo TVS.
Ad esempio, il diodo SMAJ (13,52 mm2) ha un valore Rd più elevato rispetto al diodo SMBJ (19,44 mm2), quindi il diodo SMAJ porta a una tensione di bloccaggio più elevata a una data corrente di shunt.
Per calcolare la tensione di bloccaggio vanno utilizzati questi valori di RD che sono disponibili nella scheda tecnica del produttore del diodo TVS.
Per tP≤ 20μs:
Per 20μs < tp < 1ms:
Per tP≥ 1 ms:
Questa dipendenza multiparametrica comporta un processo di progettazione iterativo impegnativo. Per semplificare la progettazione, Texas Instruments ha rilasciato uno strumento online per la selezione del TVS [5]. La Figura 5 illustra la metodologia di progettazione come diagramma di flusso, mentre la Tabella 1 elenca le specifiche tipiche di un server rack.
Figura 5. Diagramma di flusso per la selezione del diodo TVS.
Tabella 1. Specifiche tipiche del sistema.
Fasi di progettazione
Quando si progetta una protezione di ingresso per il server rack, selezionare i valori dei componenti di supporto per l’eFuse TPS25984B dalla relativa scheda tecnica e quindi seguire i seguenti passaggi di progettazione per la selezione del TVS. Innanzitutto, selezionare un TVS unidirezionale con una tensione di standoff inversa pari o superiore a VDC_max. Abbiamo scelto il diodo Littlefuse SMDJ12A [4] come punto di partenza. Successivamente, determiniamo l’IP, che non è altro che la corrente dell’interruttore automatico. Quindi calcoliamo la tensione di bloccaggio. Poiché RD è una funzione di tP, usa l’equazione 6 per trovare tP:
Per larghezze di impulso inferiori a 20 μs, è possibile approssimare la resistenza dinamica a quella di un impulso di prova di 8/20 μs. Dalla scheda tecnica del SMDJ12A, i nostri calcoli sono stati:
Perciò:
Ora, usando la RD di 14,6 mΩ, calcolare la tensione di clamping:
Poiché la tensione di clamping è inferiore alla tensione massima tollerabile, VC(max) (il valore massimo assoluto di 20 V del TPS25984B eFuse), è possibile procedere ulteriormente con l’SMDJ12A; in caso contrario, sarà necessario prendere in considerazione un diodo TVS con un Rd inferiore o diodi TVS in parallelo. Calcolare la potenza di picco utilizzando:
Poiché l’SMDJ12A supporta una potenza di picco di 60 kW per 2,5 µs (vedere Figura 6), è possibile procedere ulteriormente. Ora, declassare la potenza nominale in base alla temperatura utilizzando la Figura 6. La potenza massima supportata a 75°C è:
Poiché 48kW > 3,52kW e VC< 20 V, l’SMDJ12A è una buona scelta per questa applicazione.
Figura 6. Potenza di picco dell’impulso (sinistra) e curva di derating della potenza di picco dell’impulso (destra).
La figura 7 mostra le prestazioni di clamping dell’SMDJ12A sul sistema TPS25984B.
Figura 7. Protezione dai transitori con il diodo SMDJ12A all’ingresso dell’eFuse TPS25984B.
Selezione del diodo Schottky in uscita
La Figura 8 mostra la sequenza di eventi che potrebbero verificarsi internamente al circuito integrato quando il pin OUT viene portato al di sotto della terra. Il diodo a giunzione PN parassita inizia a condurre, iniettando elettroni liberi nel substrato. Questi elettroni liberi interferiscono con altre unità di controllo che potrebbero resettare il circuito integrato o causare un evento di latch-up. Una conduzione di corrente elevata attraverso il diodo a giunzione PN parassita potrebbe causare un EOS e portare a un EIPD.
È possibile prevenire questi problemi riducendo il picco di tensione negativa sul pin OUT o limitando la corrente attraverso il pin OUT. L’aggiunta di un condensatore di uscita vicino al pin OUT assorbirà parte dell’energia dal picco di tensione negativa e controllerà la velocità di variazione per limitare il picco di tensione negativa. L’aggiunta di un diodo Schottky a bassa tensione diretta sul pin OUT fornisce un percorso alternativo per la corrente e limita la corrente attraverso il circuito integrato.
Un clamping efficace richiede una combinazione di condensatori e diodi Schottky. Sebbene un condensatore con un’uscita più elevata sia utile, seguire queste linee guida per la scelta del diodo Schottky:
- La tensione di blocco DC deve essere superiore alla tensione massima di esercizio in ingresso.
- La corrente di picco diretta non ripetitiva del diodo selezionato deve essere superiore all’IP.
- La caduta di tensione diretta sull’IP deve essere compresa nel valore massimo assoluto del pin OUT (che è -1 V per il TPS25984B).
In questa applicazione abbiamo utilizzato due diodi SBR10U45SP5 [6] di Diodes Incorporated in parallelo.
Figura 8. Illustrazione grafica che mostra le conseguenze all’interno del circuito integrato quando si porta l’uscita sottoterra.
La figura 9 mostra le prestazioni di bloccaggio dell’uscita con e senza diodi Schottky nella soluzione TPS25984B.
Figura 9. Protezione dai transitori all’uscita dell’eFuse.
Quando si utilizzano soluzioni hot-swap ad alta corrente, la protezione secondaria (mostrata in Figura 10) può ridurre al minimo la necessità di un diodo Schottky in uscita. Come si può vedere, D1 assorbirà la maggior parte dell’energia dal transitorio di tensione negativa. L’aggiunta di un resistore di piccolo valore (R1) come 47Ω e di un diodo (D2) come un SS13 limiterà significativamente l’energia rimanente.
Figura 10. Protezione secondaria nelle soluzioni hot-swap ad alta corrente.
Considerazioni sul posizionamento e sul layout del PCB
È necessario posizionare dispositivi di protezione come diodi TVS, condensatori di disaccoppiamento e diodi Schottky fisicamente vicino al dispositivo che devono proteggere. L’induttanza distribuita limita la larghezza di banda dell’efficacia degli elementi shunt, come condensatori di disaccoppiamento e diodi TVS. Limita il flusso di corrente di picco e provoca anche picchi di tensione transitori più elevati durante il clamping, come mostrato in Figura 11. Pertanto, il layout dovrebbe essere tale che questi elementi shunt abbiano la minima impedenza in serie. Durante il routing, utilizzare tracce corte e più vie per ridurre l’induttanza.
Figura 11. Impatto delle prestazioni di serraggio TVS rispetto al layout del PCB.
Conclusione
I circuiti di protezione front-end discreti vengono sostituiti da dispositivi di protezione attiva dei circuiti come gli eFuse per migliorarne le prestazioni. Tuttavia, un eFuse necessita spesso di protezione dai transitori per evitare la violazione delle specifiche massime assolute. Le linee guida per la selezione dei componenti e le considerazioni sul layout illustrate in questo articolo possono aiutarvi a progettare una soluzione per garantire una protezione affidabile del percorso di alimentazione.
Riferimenti
- Panguloori, Rakesh. 2016. “Nozioni di base sugli eFuse”. Rapporto applicativo di Texas Instruments, letteratura n. SLVA862A, dicembre 2016.
- Rogachev, Artem. 2014. “Progettazione robusta per hot swap”. Rapporto applicativo di Texas Instruments, letteratura n. SLVA673A, aprile 2014.
- Consiglio dell’industria sull’ESD. “Libro bianco 4: Comprensione delle sovrasollecitazioni elettriche – EOS”. Agosto 2016.
- “SMDJ12A TVS 3KW 12V 5%UNI DO-214AB TR13 RoHS.” Scheda tecnica Littlefuse. 2025.
- Texas Instruments. n.d. Strumento di raccomandazione per diodi TVS. 26 giugno 2023.
- “SBR10U45SP5 10A SBR super raddrizzatore a barriera.” Scheda tecnica Diodes Inc., documentazione n. DS31371” gennaio 2024.
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