Wiederverwendbare elektronische Sicherungen Intelligenter Schutz der Stromversorgung

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Klassische Sicherungen haben eine träge Reaktion und ungenaue Auslösung. Siliziumbasierte Lösungen versprechen präziseren, schnelleren und intelligent steuerbaren Schaltungsschutz – ohne die Nachteile konventioneller Konzepte.

Bereits seit den Anfängen der Stromverteilung spielen Sicherungen eine entscheidende Rolle beim Schutz von Schaltkreisen vor Überstromzuständen. Herkömmliche Sicherungen waren zwar einfach zu handhaben, jedoch mangelte es ihnen an Flexibilität und Intelligenz. Moderne Anwendungen – von der industriellen Automatisierung bis zur Unterhaltungselektronik – erfordern jedoch fortschrittliche Schutzfunktionen. Dazu gehören einstellbare Strombegrenzungen, eine thermische Abschaltung und eine schnelle Fehlerreaktion. Im vorliegenden Artikel wird untersucht, wie auf Silizium basierende Sicherungen diese Anforderungen erfüllen und einen intelligenteren, sichereren und effizienteren Schaltungsschutz bieten als konventionelle Lösungen.

Einschränkungen von Sicherungen

Traditionelle Sicherungen werden seit langem als einfache „Opfer“ eingesetzt, um Schaltkreise vor Überstromzuständen zu schützen. Sie sind so konzipiert, dass sie im Fehlerfall durchbrennen und den Stromfluss unterbrechen – so verhindern sie Schäden an Stromquellen, am restlichen Schaltkreis sowie an den angeschlossenen Geräten. Außerdem wird so die Gefahr von Bränden durch überhitzte Leiter verringert und die Anwender vor Stromschlägen in Hochspannungssystemen geschützt. Wenn jedoch eine Sicherung durchbrennt, muss das System überprüft und die betreffende Sicherung ausgetauscht werden. Dies ist bei leicht zugänglichen Geräten nur mit geringfügigen Unannehmlichkeiten verbunden, bei versiegelten oder abgelegenen Anlagen jedoch eine kostspielige Herausforderung.

Dieses Problem lässt sich teilweise durch rückstellbare Sicherungen, wie beispielsweise PPTC-Bauteile (aus polymerbasierten Materialien mit positivem Temperaturkoeffizienten), lösen. Sie erhöhen im Fehlerfall den Widerstand, um den Stromfluss zu begrenzen, und kehren nach dem Abkühlen zu einem nahezu normalen Widerstand zurück, wodurch sie sich für Anwendungen wie beispielsweise USB-Anschlüsse eignen. Dennoch weisen PPTCs einige Nachteile auf: Sie reagieren langsam (oft dauert es mehrere Sekunden), es fließt weiterhin Strom, selbst nachdem sie ausgelöst wurden, und sie reagieren empfindlich auf die Umgebungstemperatur, was eine sorgfältige Analyse der thermischen Leistungsreduzierung erfordert.

Abgesehen von ihrer Auslegung als Einwegprodukt weisen klassische Sicherungen noch einige weitere Einschränkungen auf. Ihre Reaktionszeiten betragen typischerweise mehr als eine Sekunde. Hinzu kommen Toleranzprobleme: da der Auslösestrom um ±25 % variieren kann, wird ein präziser Schutz erschwert. Auch das Handling von Einschaltströmen stellt eine Herausforderung dar: oft sind zeitverzögerte Sicherungen erforderlich, um Einschaltstromspitzen zu bewältigen.

Moderne elektronische Systeme benötigen hingegen mehr als nur einen einfachen Überstromschutz. Traditionellen Sicherungen und PPTCs mangelt es an Präzision, Anpassungsfähigkeit sowie Möglichkeiten zur Fernsteuerung. Dies sind jedoch Eigenschaften, die in einem breiten Spektrum an Anwendungen – von der Unterhaltungselektronik bis zur industriellen Automatisierung – zunehmend an Bedeutung gewinnen.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, haben sich auf Silizium basierende elektronische Sicherungen, auch „eFuses“ genannt, als fortschrittlichere Alternative etabliert: sie verbinden die Zuverlässigkeit von Halbleiterbauteilen mit verschiedenen leistungsstarken und hochpräzisen Schutzfunktionen, die mit herkömmlichen Sicherungen nicht umsetzbar sind. Darüber hinaus verfügen sie über eine integrierte Fehlerdiagnose. Ein weiterer Vorteil ist die flexible Anpassung von Schutzparametern an die jeweilige Anwendung.

So funktionieren elektronische Sicherungen

eFuses nutzen einen MOSFET-Schalter mit niedrigem Widerstand, der über einen integrierten Strommessschaltkreis gesteuert wird (Abbildung 1). Wenn der Strom einen vordefinierten Grenzwert überschreitet, öffnet sich der Schalter innerhalb einer Reaktionszeit von wenigen Mikrosekunden. So werden Überhitzung sowie Schäden an Stromquellen, Verkabelung und angeschlossenen Geräten verhindert – und das weitaus effektiver als bei konventionellen Lösungen. Anders als herkömmliche Sicherungen sind eFuses rückstellbar, entweder automatisch oder durch das Signal eines Mikrocontrollers. Das ermöglicht eine schnelle Wiederherstellung des Betriebs und reduziert Ausfallzeiten.

Halbleiterbauteile wie eFuses weisen eine Vielzahl konfigurierbarer Funktionen auf, die weit über den grundlegenden Schutz hinausgehen. Dazu gehören eine Einschaltstrom-Steuerung mit einstellbarer Slew-Rate zur Vermeidung von Einschaltstromspitzen, eine Spannungsklemme, um die Ausgangsspannung unter einem sicheren Schwellenwert zu halten, sowie eine Unterspannungsabschaltung (under-voltage lockout; UVLO), die den Betrieb nur innerhalb gültiger Eingangsbereiche ermöglicht. Sie verfügen außerdem über einen Rückstromschutz, der das Zurückfließen in die Stromquelle verhindert, sowie einstellbare Strombegrenzungen, die auf die spezifischen Systemanforderungen abgestimmt sind. Darüber hinaus verhindert eine thermische Abschaltung eine Überhitzung. eFuses verfügen ferner über eine Funktion zur Statusrückmeldung sowie eine Steuerschnittstelle zur Überwachung und Fernrückstellung (remote reset). Insgesamt betrachtet machen diese fortschrittlichen Funktionen eFuses ideal für Systeme, die eine hohe Zuverlässigkeit, ein kompaktes Design und ein intelligentes Fehlermanagement erfordern.

Wo ist der Einsatz von eFuses sinnvoll?

Moderne elektronische Systeme versorgen häufig externe Geräte mit Strom, die vom Hersteller ursprünglich nicht dafür vorgesehen waren. Dies birgt potenzielle Risiken wie Überstrom, Kurzschlüsse und Spannungsabweichungen. Typische Beispiele hierfür sind USB- und SATA-Schnittstellen in PCs und Laptops, Test- und Messgeräte mit Stromversorgung über Sonden (Probe Power) oder Akkus sowie industrielle Systeme (z. B. SPS), die modulare Erweiterungen versorgen (Abbildung 2). In den genannten Fällen gewährleisten eFuses einen schnellen, präzisen und konfigurierbaren Schutz, was sowohl die Systemzuverlässigkeit als auch die Sicherheit der Anwender sicherstellt.

Die Integration einer elektronischen Sicherung ist einfach: Techniker und Ingenieure können die Strombegrenzung über einen externen Widerstand einstellen, die Einschaltstrom-Steuerung mithilfe eines Kondensators konfigurieren und die Freigabe sowie die Unterspannungsabschaltung (UVLO) über einen einzigen Pin verwalten, der an den Mikrocontroller angebunden ist. Diese einfachen Design-Schritte gestatten Technikern und Ingenieuren, fortschrittliche Schutzfunktionen zu nutzen, ohne dass sich dadurch die Komplexität nennenswert erhöht. Zusätzlich ermöglichen integrierte Diagnose- und Statussignale eine kontinuierliche Überwachung im Betrieb, erleichtern die Fehlerlokalisierung und erlauben bei Bedarf ein gezieltes Eingreifen durch das System.

Zusammenfassung und Ausblick

Mit der Markteinführung der ersten eFuse-Serie im Jahr 2020 hat Toshiba den Schaltungsschutz von einem passiven Sicherungsmechanismus in eine intelligente, konfigurierbare Lösung verwandelt. Im Vergleich zu traditionellen Sicherungen müssen eFuses nicht „geopfert“ werden, ermöglichen eine präzise Strombegrenzung und integrieren fortschrittliche Funktionen wie Über- und Unterspannungsschutz, thermische Abschaltung sowie Einschaltstrom-Steuerung. Sie kombinieren die Rückstellbarkeit von PPTCs mit der Geschwindigkeit und Genauigkeit der Halbleitertechnologie – all dies in einem kompakten, oberflächenmontierten Formfaktor, der nur wenige externe Komponenten erfordert. Die Konformität mit Normen wie IEC 62368 und UL vereinfacht die Zertifizierung der Endprodukte noch weiter.

Um den sich wandelnden Marktanforderungen gerecht zu werden, hat Toshiba das Portfolio an elektronischen Sicherungen ausgebaut. Die TCKE8-Serie bildet hierfür die Grundlage und bietet kompakten, intelligenten Schutz. Aufbauend darauf ist die TCKE9-Serie für Verbraucher- und IoT-Anwendungen optimiert, bei denen eine hohe Strombelastbarkeit und ein kompakter Formfaktor erforderlich sind. Die TCKE6-Serie ist hingegen für industrielle Systeme mit 24 V ausgelegt und verfügt über eine Nennspannung bis zu 40 V. Der Fokus zukünftiger Entwicklungen wird auf Produkten liegen, die für Bereiche mit einer Hochspannung von 48 V ausgelegt sind, sowie auf Anwendungen, die für die Fabrikautomation und Stromverteilung bestimmt sind. Einordnungstechnisch zeigt diese Entwicklung den generellen Trend, Schutzfunktionen zunehmend in integrierte Halbleiterlösungen zu verlagern.

Da Stromversorgungssysteme aufgrund von Trends wie dem Internet der Dinge (IoT), Industrie 4.0 und Hochspannungsarchitekturen immer komplexer werden, wird die Nachfrage nach intelligenteren, schnelleren und stärker integrierten Schutzlösungen weiter steigen. Zukünftige Generationen von eFuses werden voraussichtlich über erweiterte Spannungsbereiche für den Industrie- und Automobilsektor verfügen. Darüber hinaus werden sie mit verbesserten Diagnose- und Kommunikationsschnittstellen für die vorausschauende Wartung ausgestattet sein und sich in die Überwachung auf Systemebene integrieren lassen, um ein vollständig vernetztes Management der Stromversorgung zu ermöglichen. Mit eFuses können Entwickler bereits heute sicherstellen, dass ihre Systeme in der vernetzten Welt von morgen für mehr Zuverlässigkeit, Sicherheit und Skalierbarkeit gerüstet sind. (mr)

* Norman Röder ist Product Marketing Engineer bei Toshiba Electronics Europe GmbH.

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