Utilice interruptores inteligentes de dispositivos de alimentación para contrarrestar las limitaciones de las soluciones simples

"Mantenerlo simple" es una pauta de diseño bien conocida y una buena práctica de ingeniería. Después de todo, cuantos más componentes agregue, más cosas pueden salir mal o causar problemas imprevistos. Y eso se suma al impacto obvio en la lista de materiales (BOM).

No obstante, cada una de estas pautas tiene muchas excepciones legítimas. Esto es especialmente cierto cuando se busca un diseño sólido y “a prueba de balas” que funcione en circunstancias normales y extremas, soportando tensiones previsibles e inevitables. Para mayor integridad, es posible que también desee reducir su dependencia de la unidad de microcontrolador (MCU) del sistema para manejar eventos disruptivos y, en su lugar, confiar en un hardware integrado más rápido y confiable con un software mínimo o nulo.

Considere el interruptor de alimentación basado en MOSFET, que se utiliza ampliamente en aplicaciones automotrices y de otro tipo para reemplazar los relés electromecánicos tradicionales. Docenas de estos interruptores de estado sólido brindan un control simple de encendido/apagado de los rieles de alimentación que suministran los controles del motor, la transmisión, la iluminación, el frenado, el cableado y la suspensión. Estos interruptores semiconductores tienen una vida útil que supera el millón de ciclos y, a diferencia de los relés electromecánicos, no son susceptibles a fallas de contacto debido a la fricción, el envejecimiento, los gases o los carburos en el duro entorno automotriz.

Es conceptualmente sencillo construir un interruptor de encendido/apagado de uso general. Sin embargo, estos interruptores basados en MOSFET pueden fallar debido a cortocircuitos y transitorios que ocurren al cambiar circuitos de alta energía durante el arranque o el funcionamiento regular. Como resultado, el interruptor debe estar rodeado de varios componentes protectores que absorban energía para convertirse en un dispositivo más sofisticado. Estos componentes adicionales pueden ubicarse externamente al interruptor MOSFET o dentro de su paquete, transformándolo en un interruptor de dispositivo de alimentación inteligente (IPD) básico (Figura 1).

Figura 1: Un MOSFET simple puede funcionar como un interruptor de alimentación (izquierda), pero carece de los componentes que absorben energía (derecha) para protegerlo del mundo real de transitorios y cortocircuitos inevitables. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor, modificado por el autor)

No es el final de la historia

La protección implica mucho más que utilizar componentes adecuados alrededor del interruptor de alimentación. Casi todos los rieles que transportan corriente necesitan protección para evitar que una corriente excesiva dañe el interruptor de alimentación o su circuito de carga. Estas situaciones de sobrecorriente suelen ser el resultado de una falla dentro de la carga.

Se podría pensar que la solución a la protección contra sobrecorriente es fácil y conocida: es simplemente instalar un fusible básico activado térmicamente en línea con el riel de suministro. Si hay una situación de sobrecorriente, el fusible se activará y pasará a su modo de circuito abierto, cortando así totalmente el flujo de corriente dañina.

La solución de fusibles ciertamente funciona pero, en algunos aspectos, funciona demasiado bien. Una vez que se funde el fusible, la MCU del sistema no puede obtener ninguna información sobre lo que está sucediendo en el módulo de carga, ni tampoco puede gestionarlo.

Por esta razón, muchos circuitos críticos también emplean una función de monitoreo de corriente. Esto posibilita que la MCU lea una señal de error detectada por el IC de detección de sobrecorriente y le permita enviar señales al interruptor de IPD para iniciar el apagado o repetir el ciclo de apagado/reinicio, según los matices de la situación.

Sin embargo, esto puede provocar un funcionamiento inestable del circuito u otras averías. Por el contrario, los interruptores de IPD avanzados de la familia AECQ-100 de ROHM Semiconductor brindan funcionalidad de protección sin que intervenga una MCU. Estos dispositivos con calificación automotriz (AEC-Q100) están disponibles como interruptores de lado bajo o lado alto en configuraciones de uno y dos canales. Vienen en varios paquetes de 8 pines y admiten múltiples niveles de voltaje y corriente.

Por ejemplo, el BD1HD500FVM-CTR es un interruptor de lado alto de un solo canal con una resistencia de encendido (R_DS(ON)) de 500 miliohmios (mΩ) y un límite de corriente de 1.45 amperios (A) en un paquete MSOP de 8 conductores. Por el contrario, el BV1LB025EFJ-CE2 de un solo canal es un interruptor de lado bajo con un R_DS(ON) de 45 mΩ y un límite de corriente de 13 A en un paquete HSSOP-C16.

La familia AECQ-100 de interruptores de IPD puede suministrar un nivel de corriente mínimo durante la operación de protección, de modo que el circuito continúe funcionando (si es posible) mientras genera una señal de error. Esto permite realizar “llamadas” de emergencia durante el funcionamiento del circuito en caso de anomalías no mortales.

Además, estos interruptores de IPD avanzados evitan apagones en los circuitos. Esto puede ocurrir si la carga mecánica aumenta debido al envejecimiento, lo que resulta en mayores niveles de consumo de corriente. Al permitir el funcionamiento independiente sin pasar por una MCU, se reduce la cantidad de componentes necesarios para esta funcionalidad y se mejora la confiabilidad (Figura 2).

Figura 2: El apagado es la única opción cuando se utiliza un interruptor de IPD estándar. Sin embargo, un interruptor de IPD de ROHM admite tanto protección contra corrientes de irrupción como funcionamiento en estado estable una vez que se ha logrado la protección de irrupción. (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

Hay otra consideración con los fusibles. Los fusibles estándar con márgenes operativos bien definidos evitan cortes involuntarios debido a una mayor corriente de irrupción durante la fase de encendido del sistema o módulo (Figura 3, arriba). Sin embargo, este colchón o “enmascaramiento” interfiere con el ajuste del límite deseado.

Por el contrario, los interruptores de IPD de ROHM pueden proteger contra la corriente de irrupción y eliminar la necesidad de enmascaramiento. (Figura 3, abajo).

Figura 3: Un fusible térmico convencional tiene una región de ambigüedad que enmascara y desalienta la activación inadvertida debido a corrientes de irrupción (arriba), mientras que el interruptor de IPD de ROHM tiene umbrales y límites más sofisticados (abajo). (Fuente de la imagen: ROHM Semiconductor)

El resultado es una detección de alta precisión incluso de anomalías de corriente menores durante el funcionamiento en estado estable. Al mismo tiempo, dado que aún se puede suministrar una corriente mínima al módulo de carga en lugar de detener su funcionamiento inmediatamente después de que ocurra una anomalía, una MCU del sistema aún puede intentar acceder a ese módulo para mantenimiento preventivo mientras detecta anomalías durante la operación.

Mirar el panorama general

El uso de dispositivos de potencia complementados con diversos componentes y funciones de protección es un paso necesario pero insuficiente para implementar una gestión eficaz de los rieles de alimentación, especialmente en entornos automotrices hostiles. Se necesitan protección y flexibilidad adicionales en situaciones de sobrecorriente.

Conclusión

La simplicidad en el diseño es un objetivo digno, pero las consideraciones y sutilezas del mundo real a menudo significan que un poco de sofisticación adicional es un enfoque mejor y prudente en la práctica. Al utilizar interruptores de IPD de la familia AECQ-100 de ROHM, puede obtener la confiabilidad, la flexibilidad y los beneficios de un dispositivo de alimentación de estado sólido con menos componentes y, al mismo tiempo, lograr la información y la protección que los fusibles no pueden ofrecer.

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Training Module/Tutorial: Intelligent Power Device (IPD) Switches

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