【導讀】保險絲，又被稱(chēng)為“熔斷器”，是一種人們非常熟悉的電子元器件，即使是電子設計“小白”，也知道如果某個(gè)電器不工作了，要先檢查一下保險絲是否安好。
保險絲，又被稱(chēng)為“熔斷器”，是一種人們非常熟悉的電子元器件，即使是電子設計“小白”，也知道如果某個(gè)電器不工作了，要先檢查一下保險絲是否安好。它的原理是當通過(guò)保險絲的電流超過(guò)規定值時(shí)，其本身產(chǎn)生的熱量會(huì )將構成保險絲的金屬熔斷，切斷電路，為后面的電路或人身安全提供保護，是一種應用非常廣泛的過(guò)流保護元器件。
可現實(shí)中往往越是熟悉的，越容易被忽視，因此保險絲的身影常常是在“聚光燈”之外。不過(guò)今天我們秉承“發(fā)現電子元器件新物種”的好奇心，為大家尋找到了一款“不一樣”的保險絲，它顛覆了我們對于傳統保險絲的認知，在3.00×3.00mm的小身材中融聚了諸多“想不到”……這就是Toshiba新近推出的TCKE8xx系列電子熔斷器IC（eFuse IC）。這款器件究竟有何與眾不同之處，且聽(tīng)我們慢慢道來(lái)。
圖1：TCKE8xx系列eFuse IC（圖源：Toshiba）
不一樣的熔斷器
先從工作原理上來(lái)講。傳統的熔斷器——比如玻璃管熔斷器和芯片熔斷器等——其工作機理是通過(guò)自身物理上的不可逆的變化（熔化）來(lái)切斷電路。這類(lèi)熔斷器的缺點(diǎn)很明顯：分斷電流不確定，熔斷時(shí)間慢，熔斷器每次工作——即被電流破壞——后都需要進(jìn)行更換。
而所謂電子熔斷器eFuse IC，它的工作機理與傳統熔斷器不同——當電流過(guò)大時(shí)，eFuse IC是通過(guò)關(guān)閉內置MOSFET來(lái)切斷電流路徑，起到保護的作用。這個(gè)過(guò)程中，器件內部并沒(méi)有不可逆的物理?yè)p壞，這也就意味著(zhù)在每次分斷電路工作后，它還可以經(jīng)過(guò)重置來(lái)重復使用，而無(wú)需更換，從而有效降低系統維護時(shí)間和成本。此外，這種工作機理讓eFuse IC在過(guò)流檢測精度以及“熔斷”時(shí)間上，也都超過(guò)了傳統物理熔斷器的表現。這可以說(shuō)是eFuse IC帶給我們的第一個(gè)“想不到”。
圖2：TCKE8xx系列eFuse IC系統框圖（圖源：Toshiba）
第二個(gè)“想不到”的地方是，除了傳統意義上的“熔斷”保護，eFuse IC還提供了其他一系列電路保護功能，它們包括：
提供電流鉗位和電壓鉗位模式，通過(guò)將電流和電壓鉗制在額定值上，既能防止發(fā)生過(guò)流和過(guò)壓，保護電路，又能維持電路的供電。
提供過(guò)熱保護和短路保護功能，在發(fā)生嚴重過(guò)熱或意外短路現象時(shí)，能立即切斷電源，起到保護電路的作用。
通過(guò)與外部的MOSFET配合使用，eFuse IC還可提供反向電流阻斷功能。
可調節浪涌電流壓擺率，有效防止浪涌電流沖擊。
上述這些功能意味著(zhù)，與使用分立式元器件件的傳統電路保護方案相比，使用高集成度的eFuse IC能避免復雜的線(xiàn)路設計，僅用較少數量的元器件件和較小占板面積，即可實(shí)現更豐富的電路保護功能。同時(shí)，產(chǎn)品符合IEC/UL 62368-1和UL 2367等國際安全標準規定的要求。
eFuse IC的上述特性，使其特別適合于各種需要高密度電路板設計的便攜式應用，如工業(yè)應用、家用電器、辦公自動(dòng)化設備和電池供電物聯(lián)網(wǎng)傳感器設備等。
eFuse IC電子熔斷器特性
過(guò)流限制精度：±11% ＠Ta=-40至+85℃，ILIM=4.38A
超高速短路保護：tFastOffDly=150ns（典型值）＠Ta=-40至+85℃
高輸出電流：IOUT=0至5.0A
薄型緊湊封裝：3.00×3.00mm（典型值），t=0.75mm（最大值）
圖3：eFuse IC豐富的電路保護特性與典型應用（圖源：Toshiba）
eFuse IC特性詳解
大家可能會(huì )好奇，上述如此豐富的電路保護功能，是如何在一個(gè)緊湊的IC中實(shí)現的？我們下面做詳細地說(shuō)明。
1. 快速短路保護
短路保護功能是為了防止電源線(xiàn)或負載因某些錯誤而發(fā)生短路時(shí)電流過(guò)大。由于TCKE8xx系列eFuse IC采用了超高速短路保護技術(shù)，在短路發(fā)生后，當輸出電流達到過(guò)電流極限（ILIMIT）的1.6倍時(shí)（也稱(chēng)為“快速跳閘”或“短路跳閘”），將被判斷為短路，電流會(huì )在150ns（典型值）內下降至接近零。圖4中顯示了當eFuse IC以12V電源供電，突發(fā)短路情況時(shí)理想狀態(tài)下的仿真波形。這一特性對于確保電子線(xiàn)路和設備的可靠性和穩健性非常必要。
圖4：eFuse IC快速短路保護特性（圖源：Toshiba）
2. 高精度過(guò)電流保護
eFuse IC的過(guò)電流保護功能是指當輸出電流因負載異?；蚨搪范蝗辉黾訒r(shí)，將輸出電流保持在不超過(guò)過(guò)電流上限值（ILIMIT）的功能，也將輸出電壓控制在后級集成電路的擊穿電壓范圍內，這樣可以防止系統瞬時(shí)斷電，同時(shí)保護設備不會(huì )因為發(fā)熱而老化或損壞。eFuse IC不僅可以在很寬的溫度范圍內提供高精度過(guò)流鉗位（如圖5），還可以通過(guò)改變外部電阻對過(guò)電流保護功能進(jìn)行設置，并可以通過(guò)雙過(guò)電流保護功能實(shí)現強有力的保護，給設計帶來(lái)了很大的靈活性。
圖5：eFuse IC高精度過(guò)流保護特性（圖源：Toshiba）
3. 高精度過(guò)電壓鉗位功能
除了過(guò)流鉗位，eFuse IC還提供高精度電壓鉗位功能，將輸出電壓限制在規定輸出電壓范圍內，防止向后續級IC施加過(guò)大電壓。以圖6中的TCKE805為例，即使輸入電壓增加，輸出電壓也會(huì )被抑制，不會(huì )超過(guò)大約6.0V（典型值）。因此，即使輸入電壓瞬間變大，電壓鉗位功能也能將輸出電壓保持在后級IC的耐受電壓范圍內。
圖6：eFuse IC高精度過(guò)壓保護特性（圖源：Toshiba）
4. 抑制浪涌電流的功能
當輸出端接通時(shí)，充電電流流過(guò)輸出電容器，輸出電容越大，輸入電壓越高，浪涌電流也會(huì )越大。如果該電流過(guò)大，過(guò)電流保護電路可能會(huì )出現故障，使其無(wú)法啟動(dòng)，或致使輸出電壓會(huì )過(guò)高。eFuse IC可以用較小的外部電容來(lái)調節輸出電壓的壓擺率，從而簡(jiǎn)化抑制浪涌電流的電路設計。
圖7：eFuse IC抑制浪涌電流特性（圖源：Toshiba）
5. 熱關(guān)斷功能和恢復工作
當eFuse IC中的過(guò)電流或過(guò)電壓狀況持續很長(cháng)時(shí)間，使得IC溫度超過(guò)設定溫度，將觸發(fā)熱關(guān)斷功能，關(guān)閉輸出以防止器件損壞。當eFuse IC內部溫度下降時(shí)，器件可以恢復工作。eFuse IC在不同的型號中提供自動(dòng)重試（Auto-Retry）和鎖存型（Latch）兩種恢復工作類(lèi)型，讓用戶(hù)根據實(shí)際設計需要進(jìn)行選擇：
自動(dòng)重試恢復型（TCKE805NA）：會(huì )在溫度下降時(shí)自動(dòng)恢復線(xiàn)路。
鎖存型（TCKE805NL）：通過(guò)外部信號進(jìn)行恢復。
圖8：eFuse IC熱關(guān)斷功能和恢復工作（圖源：Toshiba）
6. 反向電流阻斷功能
反向電流阻斷功能是防止電流從輸出端流向輸入端的功能，例如當輸出電壓高于輸入電壓時(shí)。eFuse IC TCKE8xx本身內置了N溝道MOSFET，如果與另一個(gè)外置的N溝道MOSFET連接配合使用，并且柵極電壓由EFET端子提供，當輸入電壓為0V（eFuse IC關(guān)閉）且輸出端子側的電壓較高時(shí)，可以防止反向電流流動(dòng)，起到阻斷反向電流的作用。
圖9：eFuse IC反向電流阻斷功能（圖源：Toshiba）
7. IEC 62368-1安全標準認證
最后值得一提的是，eFuse IC獲得了針對消費類(lèi)和電信設備安全的國際標準IEC62368-1的認證，這讓開(kāi)發(fā)者在使用eFuse IC時(shí)，無(wú)需對后級電路中的IC（如圖10中的PMIC和MCU）進(jìn)行單一故障測試，能夠幫助用戶(hù)在設備量產(chǎn)的啟動(dòng)階段，便捷地獲得相關(guān)安全標準認證，并在設備使用中通過(guò)更換傳統熔斷器降低維護成本。
圖10：eFuse IC通過(guò)IEC 62368-1安全標準認證（圖源：Toshiba）
參考方案
當然，作為一個(gè)IC，eFuse IC不能像傳統的熔斷器那樣，直接接插在電源線(xiàn)上，而是要與外圍的電子元器件共同組成一個(gè)電路保護系統，再與需要保護的電路相連。為了開(kāi)發(fā)者能夠快速上手體驗eFuse IC的強大功能，Toshiba提供了一個(gè)完整的參考設計（如圖11）。
圖11：eFuse IC參考設計（圖源：Toshiba）
該參考設計的核心是eFuse IC系列中的TCKE805NA/NL，其旁邊的另一顆器件是Toshiba的SSM6K513NU N溝道MOSFET，與eFuse IC搭配使用，實(shí)現反向電流阻斷功能。Toshiba還提供了該參考設計完整的電路圖文件、BOM清單，以及其他技術(shù)文檔，方便用戶(hù)對器件的評估和應用開(kāi)發(fā)。
圖12：eFuse IC參考設計應用框圖（圖源：Toshiba）
熔斷器（保險絲）這個(gè)元器件，看上去不起眼，原理也不復雜，似乎給元器件廠(chǎng)商進(jìn)一步發(fā)揮的空間有限，但在eFuse IC身上我們卻見(jiàn)識到了什么才是顛覆傳統的創(chuàng )新設計，它以一種全新的設計思路，為我們習以為常的保險絲賦予了新的內涵，讓人不由得贊嘆：“原來(lái)保險絲，還可以這么設計……”
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