Segunda parte del artículo técnico escrito por Ralf Hickl y Uwe Rahn de Rutronik sobre las diferentes formas de efectuar la protección de fusibles en vehículos y su futuro próximo: los fusibles electrónicos.
Además de proteger ante los arcos, los fusibles electrónicos incluyen switches de semiconductores que ofrecen beneficios adicionales. A diferencia de los fusibles de seguridad, los electrónicos se pueden reiniciar y, por consiguiente, reutilizar. Una vez que se activa, el fusible electrónico se puede diagnosticar y resetear a través del bus del vehículo sin necesidad de herramientas.
La característica del fusible de un canal se puede designar, hasta cierto grado, para un fusible electrónico. Por ejemplo, las capacidades de fin de elevación de corriente se pueden definir para cada corriente elevada, mientras que la función I²t se puede utilizar para acabar con el límite para corrientes pequeñas y medianas. Por ende, la característica de fusible se puede adaptar a la capacidad de transporte de corriente del cable conectado y al comportamiento dinámico de la carga. Por el contrario, si se emplean fusibles de seguridad, es necesario tener en stock versiones de hardware con capacidad de carga variable y características de viaje (acción retardada).
Un fusible electrónico combina funciones de seguridad y conmutación, lo que supone una ventaja adicional. Un fusible de seguridad sólo se desconecta, en tanto que un fusible electrónico controlado por bus se puede conectar y desconectar. Esto contribuye a eliminar la necesidad de un disyuntor, un dispositivo de protección que se podría requerir en una solución con un fusible de seguridad.
El siguiente aspecto tiene que ver con la seguridad. Un fusible electrónico con una conexión de bus también puede vaciar la carga de manera controlada. La gestión del sistema eléctrico puede asumir un papel activo en la distribución de la energía eléctrica, centrándose, por ejemplo, en la potencia disponible en el circuito relevante.
Sustitución del fusible por los fusibles electrónicos iFuse de Bosch
Nuestro socio Bosch Semiconductors está trabajando en el desarrollo de un ASIC altamente integrado, conocido como iFuse, para aplicaciones de 12, 24 y 48 V. Junto a un microcontrolador y N-Channel Power MOSFETs, el iFuse se puede usar a la hora de diseñar un fusible de semiconductor con cuatro canales. Para hacer esto, el iFuse integra varias funciones de un chip complementario como base de sistema, incluyendo fuente de alimentación, watchdog y monitorización de tensión de alimentación, para el microcontrolador. También dispone de controladores de puerta para los N-Channel MOSFETs usados como switches. La corriente se mide sin la necesidad de sensores externos como resistencias shunt. El “bloqueo de la elevación de corriente” de la función básica también se produce de modo autónomo, sin la participación del microcontrolador. La interfaz SPI del µC se utiliza para configurar el módulo, controlar las salidas y el watchdog y releer los datos de estado y diagnóstico.
Generación de tensión en los fusibles electrónicos
El iFuse se compone de un convertidor buck para la conexión directa al sistema eléctrico y de reguladores lineales downstream para la fuente de alimentación interna y la fuente externa del microcontrolador. Las tensiones de puerta para los transistores de conmutación se generan mediante un convertidor boost interno. Ambos reguladores de conmutación tienen FETs internos, lo que implica la necesidad de pocos componentes externos.
El iFuse se puede proteger ante polaridad inversa con un MOSFET externo. Opera con una fuente de alimentación por encima de los 3.5 V – permanente, incluso directamente tras el encendido y, por consiguiente, también está sujeto a arranque frío.
Detección de arco
En combinación con una carga inteligente con conexión de bus, el iFuse permite la detección de arco. Para realizar esta tarea, tanto el microcontrolador del ASIC como la carga inteligente determinan la tensión y la corriente de alimentación y las comparan en el microcontrolador de la unidad de gestión del iFuse. Si la corriente determinada por la carga es inferior a la corriente medida por el iFuse, indica un arco paralelo a la carga y si la tensión de la carga es menor que la tensión de alimentación medida por el iFuse, podría ser consecuencia de un arco en serie a la carga.
Otro método para determinar un arco consiste en aplicar el análisis espectral de la tensión de alimentación o la corriente de carga. Este trabajo lo podría asumir el microcontrolador con capacidad DSP en la unidad de control. El iFuse ofrece las señales de medición requeridas y que son ‘mapeadas’ a elevadas frecuencias. Esto suele ser suficiente junto a la monitorización de subida de corriente para cargas sin ‘inteligencia’ integrada o cargas que no pueden comunicar.
Funciones de protección logradas con los fusibles electrónicos
- Protección ante elevación de corriente (autónoma) sin intervención de µC
- Protección total de fuente de alimentación de hasta 3.5 V
- Detección de aumento de corriente y apagado en menos de 10 µs
- Detección y protección de polaridad inversa
- Detección de elevación de corriente y apagado en modos activo y sleep
- Detección de subida de temperatura de los controladores de puerta internos
- Soporte de detección de arco sin debilitar la función de protección
Los beneficios de los fusibles electrónicos en un vistazo
- Una solución básica para fusibles inteligentes que resulta ideal en todos los sistemas eléctricos LV
- Menor necesidad de espacio por la elevada integración
- Fuente de alimentación con diseño robusto de Grado Automoción
- Modos de ahorro de corriente para mejorar la eficiencia energética
- Diagnóstico de sistema fácil de usar
- Medición de corriente rápida y precisa sin componentes externos
- Opción para desconexión bidireccional como con los fusibles de seguridad
