【導讀】隨著(zhù)電子設備在家庭、辦公室和工業(yè)中的普及，對高速、緊湊、低成本、可復位和可調節電路保護器件的需求越來(lái)越重要，以確保用戶(hù)安全和最長(cháng)的正常設備運行時(shí)間。傳統熔斷方法的熔斷電流不準確、響應時(shí)間慢，而且通常保險絲更換不方便。
隨著(zhù)電子設備在家庭、辦公室和工業(yè)中的普及，對高速、緊湊、低成本、可復位和可調節電路保護器件的需求越來(lái)越重要，以確保用戶(hù)安全和最長(cháng)的正常設備運行時(shí)間。傳統熔斷方法的熔斷電流不準確、響應時(shí)間慢，而且通常保險絲更換不方便。
雖然從頭設計一個(gè)合適的保護方案是可以的，但要在可重置的設備中滿(mǎn)足苛刻的延遲和精度要求并非易事。此外，同樣的解決方案現在也有望具備可調過(guò)流保護、可調浪涌電流壓擺率、過(guò)壓鉗位、反向電流阻斷和熱保護等功能。這種設計需要大量的分立元件和數個(gè) IC，這樣不僅會(huì )占據 PC 板的上很大面積，提高成本，還會(huì )延遲上市時(shí)間。不斷增加難度是為了滿(mǎn)足高可靠性要求，滿(mǎn)足諸如 IEC/UL62368-1 和 UL2367 等國際安全標準要求。
為此，設計人員可以轉向使用電子保險絲 (eFuse) IC 來(lái)提供納秒 (ns) 級短路保護，這比傳統的保險絲或 PPTC 器件要快一百萬(wàn)倍。
本文在介紹 eFuse 及其工作原理之前，說(shuō)明為什么需要更快速、更堅固、更緊湊、更可靠和更經(jīng)濟的電路保護。然后，介紹 Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation 提供的幾種 eFuse，并說(shuō)明這些器件在經(jīng)濟實(shí)惠、結構緊湊和堅固耐用方面是如何滿(mǎn)足設計者的電路保護需求的。
電路保護需求
過(guò)電流狀況、短路、過(guò)載和過(guò)電壓是電子系統的一些基本電路保護需求。過(guò)流狀態(tài)下，會(huì )有過(guò)量的電流流經(jīng)導體。這可能會(huì )導致高水平發(fā)熱、火災或設備損壞的風(fēng)險。短路、過(guò)載、設計故障、部件故障以及電弧或接地故障都可能造成過(guò)流故障。為了保護電路和設備用戶(hù)，過(guò)流保護需要瞬時(shí)動(dòng)作。
存在過(guò)載時(shí)，過(guò)大的電流不會(huì )立即產(chǎn)生危險，但長(cháng)期過(guò)載造成的后果與高過(guò)流同樣不安全。過(guò)載保護是根據過(guò)載程度通過(guò)各種時(shí)間延遲來(lái)實(shí)現的。隨著(zhù)過(guò)載情況的加重，延遲會(huì )隨之縮短。過(guò)載保護可以用延遲或慢速保險絲來(lái)實(shí)現。
過(guò)電壓情況會(huì )導致系統運行不穩定，還可能導致產(chǎn)生過(guò)多熱量，增大火災風(fēng)險。過(guò)電壓也會(huì )給系統用戶(hù)或操作員帶來(lái)直接危險。與過(guò)電流一樣，過(guò)壓保護也需要快速動(dòng)作，切斷電源。
為確保運行安全、穩定，有些應用受還益于除基本保護功能以外的其他保護功能，具體包括可調級別的過(guò)壓和過(guò)流保護、啟動(dòng)涌流控制、熱保護和反向電流阻斷功能。各種不同的電路保護裝置可以滿(mǎn)足這些保護功能的不同組合需求。
eFuses 如何工作
與傳統保險絲和 PPTC 器件相比，eFuse IC 實(shí)現了更廣泛的保護功能和更高的控制水平（圖 1）。除高速短路保護外，eFuse 還提供精確的過(guò)壓箝位、可調過(guò)流保護、可調電壓和電流壓擺率控制，以便盡可能減少浪涌電流和熱關(guān)斷。各個(gè)不同的版本還包括內置反向電流阻斷功能。
圖 1：eFuse 可以取代傳統保險絲或 PPTC 設備，并具有更多的保護功能和更高的控制水平。（圖片來(lái)源：Toshiba）
eFuse 性能的關(guān)鍵因素之一是內部功率 MOSFET，其“導通”電阻通常在毫歐 (mΩ) 范圍內，并能處理高輸出電流（圖 2）。正常工作期間，功率 MOSFET 的極低導通電阻確保 VOUT 端電壓與 VIN 端電壓幾乎相同。當檢測到短路時(shí)，MOSFET 會(huì )非常迅速斷開(kāi)，而當系統恢復正常時(shí)，MOSFET 則用來(lái)控制浪涌電流。
圖 2：低導通電阻功率 MOSFET（頂部中心）是 eFuse 實(shí)現快速動(dòng)作和受控啟動(dòng)能力的關(guān)鍵。（圖片來(lái)源：Toshiba）
除了功率 MOSFET 之外，eFuse 的有源性質(zhì)也有助于實(shí)現眾多的性能優(yōu)勢（表 1）。傳統保險絲和 PPTC 是無(wú)源器件，跳閘電流的精度很低。它們都依靠焦耳加熱且耗費時(shí)間，從而增加了其反應時(shí)間。另一方面，eFuse 會(huì )不斷監測電流，一旦電流達到可調限流值的 1.6 倍，就會(huì )啟動(dòng)短路保護。一旦啟動(dòng)，eFuse 的超高速短路保護技術(shù)只需 150 至 320 納秒即可將電流降至接近零，而保險絲和 PPTC 的反應時(shí)間則為 1 秒或更長(cháng)。這種快速反應時(shí)間減少了系統應力，從而增強了穩健性。由于 eFuse 電子保險絲不會(huì )被短路破壞，因此可以多次使用。
表 1：與保險絲和 PPTC（聚合開(kāi)關(guān)）器件相比，eFuse IC 的保護速度更快、精度更高、保護功能更全。（表格來(lái)源：Toshiba）
與作為一次性設備的傳統保險絲相比，eFuse 有助于降低維護成本，縮短恢復和維修時(shí)間。eFuse 有自動(dòng)恢復和鎖定保護兩種故障恢復方式：前者是在故障條件消除后自動(dòng)恢復正常運行，后者是在故障消除后被施加外部信號時(shí)恢復。eFuse 還提供過(guò)壓和熱保護，這對傳統保險絲或 PPTC 來(lái)說(shuō)是不可能的。
選擇 eFuses
選擇合適的 eFuse 通常要從應用的電源軌開(kāi)始。對于 5 至 12 伏電源軌，TCKE8xx系列 eFuse是不錯的選擇。該系列的額定輸入電壓高達 18 V，電流 5 A，通過(guò)了 IEC 62368-1 認證，符合 UL2367 要求，采用 WSON10B 封裝，尺寸為 3.0 mm x 3.0 mm x 0.7 mm 高，間距為 0.5 mm（圖 3）。
圖 3：Toshiba 的 eFuses 采用 3 mm x 3 mm、0.7 mm 高的 WSON10B 表面貼裝封裝。（圖片來(lái)源：Toshiba）
對于設計者來(lái)說(shuō)，TCKE8xx 系列提高了靈活性，包括由外部電阻設置調節過(guò)流值、由外部電容設置調節壓擺率控制，提供過(guò)壓和欠壓保護、熱關(guān)斷功能以及一個(gè)針對選用型外部反向電流阻斷 FET 的控制引腳。
設計者還可以選擇三種不同的過(guò)壓鉗位：用于 5 V 系統的 6.04 V 鉗位（例如 TCKE805NL, RF），用于 12 V 系統的 15.1 V鉗位（包括 TCKE812NL, RF），以及無(wú)鉗位電壓（例如 TCKE800NL, RF）（圖 4）。根據不同的型號，過(guò)壓保護分為自動(dòng)重試和鉗位兩種方式，鉗位水平的設定精度為 7%。欠壓鎖定可通過(guò)一個(gè)外部電阻設定。熱關(guān)斷可在 eFuse 的溫度超過(guò) 160℃ 時(shí)將其斷開(kāi)，從而保護 IC 免受超溫影響。具有自動(dòng)恢復熱保護的型號在溫度下降 20°C 時(shí)重新啟動(dòng)。
圖 4：TCKE8xx 系列電子保險絲包括多種型號，鉗位電壓為 6.04 V 的 TCKE805 適用于 5 V 系統，鉗位電壓為 15.1 V 的 TCKE812 適用于 12 V 系統，而 TCKE800 則沒(méi)有鉗位電壓。（圖片來(lái)源：Toshiba）
為確保穩定運行，這些 eFuse 具有供設計者在啟動(dòng)時(shí)設置電流和電壓斜率的選項（圖 5）。當接通電源時(shí)，巨大的浪涌電流會(huì )流入輸出電容并使 eFuse 跳閘，從而導致運行不穩定。eFuse 的 dV/dT 引腳上的外部電容器可用來(lái)設定電壓和電流的啟動(dòng)斜坡，以防止出現無(wú)跳閘。
圖 5：設計者可以設置電壓和電流的啟動(dòng)斜坡，以確保eFuse 穩定運行。（圖片來(lái)源：Toshiba）
根據應用要求，設計者可以添加一個(gè)外部 N 溝道功率 MOS，用于阻斷反向電流；添加一個(gè)瞬態(tài)電壓抑制 (TVS) 二極管，用于輸入瞬態(tài)電壓保護；添加一個(gè)肖特基勢壘二極管 (SBD)，用于 eFuse 輸出的負電壓尖峰保護（圖 6）。反向電流阻斷在熱插拔式磁盤(pán)驅動(dòng)器和電池充電器等應用中非常有用。外部 MOSFET 通過(guò) EFET 引腳控制。
在電源總線(xiàn)上會(huì )出現超過(guò) eFuse 最大額定值的瞬時(shí)電壓的系統中，需要添加 TVS 二極管。在有些應用中，eFuse 的輸出端可能會(huì )出現負電壓尖峰，而選用型 SBD 可以保護負載側的 IC 和其他設備以及 eFuse 本身。Toshiba 推薦將 SSM6K513NU, LF 作為外部 MOSFET，DF2S23P2CTC, L3F 作為 TVS 二極管，而 CUHS20S30, H3F 作為 SBD。
圖 6：TCKE8xx 系列 eFuse 的典型應用顯示了用于輸入瞬態(tài)電壓保護的可選 TVS、用于輸出引腳負電壓尖峰保護的 SBD 以及用于阻斷反向電流的外部 MOSFET。（圖片來(lái)源：Toshiba）
內置反向電流阻斷 MOSFET 的 eFuse
對于要求解決方案盡可能小且具有反向電流阻斷功能的應用，設計者可以使用具有兩個(gè)內部 MOSFET 的 TCKE712BNL, RF eFuse（圖 7）。第二個(gè)內部 MOSFET 沒(méi)有任何性能損失；兩個(gè) MOSFET 的合并導通電阻只有 53 mΩ，與使用外部阻斷 MOSFET 時(shí)差不多。
圖 7：TCKE712BNL, RF eFuse 包括兩個(gè) MOSFET（頂部中間），可實(shí)現反向電流阻斷，無(wú)需外部 MOSFET。（圖片來(lái)源：Toshiba）
與 TCKE8xx 系列的固定電壓設計相比，TCKE712BNL, RF 的輸入電壓范圍為 4.4 至 13.2 V。為了支持這種可能的輸入電壓范圍，該器件有一個(gè)過(guò)壓保護 (OVP) 引腳，使設計者能夠設置過(guò)壓保護水平，以適應特定的系統需求。此外，TCKE712BNL還增加了一個(gè) FLAG 引腳，用于提供開(kāi)漏信號輸出，表明存在故障狀況。
結語(yǔ)
確保電子系統的電路和用戶(hù)保護功能至關(guān)重要，在目前設備激增、故障可能性增加的情況下尤其如此。同時(shí)，設計者必須將成本和封裝降到最小，同時(shí)還要具有最大的保護靈活性，滿(mǎn)足適當的保護標準。
eFuse具有超快的動(dòng)作速度、出色的精確性、可靠性和可重復使用性。這類(lèi)器件性能優(yōu)良、高度靈活，不僅成為傳統保險絲和 PPTC 器件的替代品，而且還具有多種內置功能，可大大簡(jiǎn)化電路和用戶(hù)保護的設計工作。
(作者：Jacob Beningo，來(lái)源：得捷電子DigiKey微信公眾號)
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