【導讀】熱保險絲作為一種基本的電路保護器件，已經(jīng)成功使用了150多年。熱保險絲有效、可靠、易用，具有各種不同的數值和版本，能夠滿(mǎn)足不同的設計目標。然而，對于尋求以極快的速度切斷電流的設計人員來(lái)說(shuō)，熱保險絲不可避免的缺點(diǎn)就是其自復位能力，以及在相對較低的電流下的工作能力。對于這些設計人員來(lái)說(shuō)，電子保險絲（通常用eFuse或者e-Fuse表示）是一種很好的解決方案，有時(shí)還可以取代熱保險絲，但通常是對熱保險絲功能的補充。
eFuse基于一個(gè)簡(jiǎn)單概念，即通過(guò)測量已知電阻器上的電壓來(lái)檢測電流，然后在電流超過(guò)設計限值時(shí)，通過(guò)場(chǎng)效應晶體管 (FET) 切斷電流。eFuse具有熱保險絲無(wú)法實(shí)現特性、靈活性和功能。
本文將介紹電子保險絲的工作原理。然后，探討有源電路保險絲的特點(diǎn)、附加功能及如何有效使用。同時(shí)，本文還將以Texas Instruments、Toshiba Electronic Devices and Storage、STMicroelectronics的解決方案為例介紹電子保險絲及其有效使用情況。
eFuses如何工作？
傳統熱保險絲的工作原理簡(jiǎn)單可靠，為人熟知：當通過(guò)易熔連接部分的電流超過(guò)設計值時(shí)，該元件就會(huì )被充分加熱而熔化。這樣，電流路徑被切斷，電流歸零。根據保險絲的額定值、類(lèi)型以及過(guò)電流的大小，熱保險絲可在幾百毫秒到幾秒內作出響應并斷開(kāi)電流通路。當然，和所有的有源和無(wú)源元器件一樣，對于這個(gè)原理簡(jiǎn)單的純無(wú)源器件來(lái)說(shuō)，也會(huì )有很多變化、細節和遮蔽運行可供選擇。
相比之下，電子保險絲的工作原理則截然不同。電子保險絲具有一些相同的功能，但也增加了不同的新功能和新特性。eFuse的基本概念同樣很直接：負載電流通過(guò)FET和一個(gè)檢測電阻器，并通過(guò)該檢測電阻器上的電壓進(jìn)行監控。當該電壓超過(guò)預設值時(shí)，控制邏輯會(huì )斷開(kāi)FET并切斷電流路徑（圖1）。FET與電源線(xiàn)和負載串聯(lián)，必須具有非常低的導通電阻，因此不會(huì )引起過(guò)大的電流電阻 (IR) 降或功率損失。
圖1：在電子保險絲中，當從電源到負載的電流通過(guò)檢測電阻時(shí)，通過(guò)該電阻上的電壓進(jìn)行監測；當測得的電壓超過(guò)設定值時(shí)，控制邏輯將FET斷開(kāi)，以阻斷電流流向負載。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
看起來(lái)，eFuse只是經(jīng)典無(wú)源熱保險絲的一個(gè)更復雜的有源版本。雖然如此，電子保險絲也有一些獨特的屬性：
● 速度：反應快，其斷開(kāi)反應時(shí)間為微秒級，有些設計能達到納秒級。這一屬性對于今天采用相對敏感的IC和無(wú)源元件的電路來(lái)說(shuō)非常重要。
● 低電流操作：電子保險絲不僅可以采用低電流工作設計（大約100毫安 (mA) 或更?。?，而且還可以在很低的個(gè)位數電壓下正常工作。在這些水平下，熱保險絲往往無(wú)法獲得足夠的自熱電流，以促使其易熔連接部分熔斷。
● 可復位：根據具體型號，eFuse可選擇在激活后保持斷開(kāi)（稱(chēng)為閂鎖模式），或在當前故障消失后恢復正常工作（自動(dòng)重啟模式）。后一種設置在沒(méi)有"硬"故障的瞬態(tài)浪涌電流情況下特別有用，例如當板子插入帶電總線(xiàn)時(shí)就會(huì )出現這種情況。在更換保險絲困難或成本較高的情況下，也很有用。
● 反向電流保護：電子保險絲也可以提供反向電流保護，這是熱熔斷器無(wú)法做到的。當系統輸出電壓高于其輸入的電壓時(shí)，就會(huì )出現反向電流。例如，在一組冗余電源并聯(lián)時(shí)就會(huì )出現這種情況。
● 過(guò)壓保護：借助一些額外的電路，eFuse還可以提供過(guò)壓保護，以防止浪涌或感應跳閘，即當輸入電壓超過(guò)設定的過(guò)壓跳閘點(diǎn)時(shí)，切斷FET并在過(guò)壓條件持續期間保持在斷開(kāi)狀態(tài)。
● 反極性保護：eFuse還可以提供反極性保護，如果電源反向連接，則迅速切斷電流。例如汽車(chē)電池因電纜意外接觸而短暫的反接。
● 轉換速率遞增：一些先進(jìn)的電子保險絲還可以通過(guò)外部控制或使用固定元件來(lái)控制無(wú)源元件FET的導通/關(guān)斷之間的切換，從而提供規定的斷電/上電電流轉換速率。
因此，eFuses是一種極具吸引力的電流控制解決方案。雖然在某些情況下這些器件可以代替熱保險絲，但兩者往往是成對搭配使用的。在這種布局中，eFuse用于為子電路或PC板提供局部快速響應保護，例如在熱插拔系統、汽車(chē)應用、可編程邏輯控制器 (PLC) 和電池充放電管理中；互補式熱保險絲可提供系統級保護，以防止需要硬性永久關(guān)斷的大面積嚴重故障。
這樣一來(lái)，設計者就能做到兩全其美，即電子保險絲的所有功能加上熱保險絲清晰明確的動(dòng)作。在技術(shù)上無(wú)需做任何取舍即可實(shí)現這一目標，而且也不會(huì )有任何缺陷。當然，與任何設計決策一樣，也會(huì )考慮一些權衡。在這種情況下，占用空間的增加和材料清單 (BOM) 會(huì )略大。
選擇eFuse：功能和應用
選擇電子保險絲時(shí)需要考慮一些基本參數。很顯然，首要考慮因素是保險絲動(dòng)作時(shí)的電流水平。電流水平通常為從1安培(A)以下到10A左右，以及保險絲能夠耐受的最高端子電壓。對于一些電子保險絲來(lái)說(shuō)，電流水平是固定的，而對于其他器件來(lái)說(shuō)，其電流水平可由用戶(hù)通過(guò)外部電阻器設置。其他選擇因素包括響應速度、靜態(tài)電流、尺寸（封裝）以及所需外部輔助元器件的數量和類(lèi)型（如有）。此外，設計人員還必須考慮不同的電子保險絲型號可能具有的任何附加特性和功能。
例如，PLC是一種電子保險絲在其不同子電路中都非常有用的應用，因為這類(lèi)電路易于發(fā)生傳感器I/O和電源錯接。此外，在連接導線(xiàn)或熱插拔電路板時(shí)會(huì )出現電流浪涌。例如，Texas Instruments的TPS26620電子保險絲通常用于這類(lèi)24V應用中。如圖2所示，其設定的電流限值為500mA。該保險絲的工作電壓為4.5V至60V，最大電流為80mA，具有可編程的電流限值、過(guò)壓、欠壓和反極性保護功能。該IC還可以控制浪涌電流，并為PLC I/O模塊和傳感器電源提供強大的反向電流和現場(chǎng)誤接線(xiàn)保護。
圖2：圖中所示為T(mén)exas Instruments的TPS26620電子保險絲在該24V DC PLC應用中的跳閘電流設置為500mA。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
圖3中Toshiba TCKE805（18V、5A電子保險絲）的時(shí)序圖顯示了某個(gè)供應商如何實(shí)現自動(dòng)重啟與閂鎖模式。在自動(dòng)重啟模式下（由EN/UVLO封裝引腳設定），過(guò)流保護功能通過(guò)抑制故障情況下的功耗來(lái)防止電子保險絲及負載受損。
圖3：Toshiba TCKE805 18V、5A電子保險絲采用“測試和重復循環(huán)”循序來(lái)評估恢復電流是否安全。（圖片來(lái)源：Toshiba）
如果通過(guò)外部電阻器 (RLIM) 設定的輸出電流由于負載故障或者短路而超過(guò)電流限值 (ILIM) 時(shí)，則輸出電流和輸出電壓下降，從而限制IC和負載的功耗。當輸出電流達到預設限值并檢測到過(guò)電流時(shí)，輸出電流會(huì )被鉗制，以使流經(jīng)的電流不超過(guò)ILIM。假如過(guò)電流問(wèn)題在此階段未解決，則會(huì )維持這種電流鉗制狀態(tài)且電子保險絲的溫度繼續升高。
當電子保險絲的溫度達到熱關(guān)斷功能的動(dòng)作溫度時(shí)，eFuse MOSFET被關(guān)斷，將電流徹底斷開(kāi)。自動(dòng)重啟功能試圖通過(guò)阻止這種電流來(lái)恢復電流流動(dòng)，這樣會(huì )降低溫度并解除熱關(guān)斷。如果溫度再次升高，則重復上述動(dòng)作并停止運行，直到過(guò)流情況解除。
相反，閂鎖模式會(huì )箝制輸出，直到通過(guò)IC的使能 (EN/UVLO) 引腳使電子保險絲復位（圖4）。
圖4：與自動(dòng)重啟模式不同，Toshiba電子保險絲在閂鎖模式下只有接收到IC使能引腳發(fā)出的指令時(shí)才會(huì )復位。（圖片來(lái)源：Toshiba）
一些電子保險絲經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)配置后，能夠克服與電阻器上的檢測電流相關(guān)的問(wèn)題，例如IR降，此類(lèi)情況會(huì )降低輸出側的電源軌電壓。例如，STMicroelectronics的3.3V STEF033AJR的最大標稱(chēng)電流和FET導通電阻值分別為3.6A和40毫歐(mΩ)，這是DFN封裝版器件，而2.5A和25mΩ則是倒裝片封裝版器件。在圖5所示的傳統連接中，在較高電流下即使通過(guò)導通電阻的電源軌中出現約15毫伏(mV)的適度IR降也可能是明顯且令人擔憂(yōu)的。
圖5：在STEF033AJR的傳統接線(xiàn)中，用于確定限流值的電阻器R-lim放在兩個(gè)指定的端子之間。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）
在傳統接線(xiàn)方式中，把電阻放在正壓側限位連接和輸出電壓連接 (VOUT/Source) 之間，這樣修改后就可實(shí)現對IR降進(jìn)行補償的開(kāi)爾文檢測布局（圖6）。
圖6：為了減少電流檢測IR降的影響，限流電阻器的負極側連接電壓輸出 (VOUT/Source)。（圖片來(lái)源：STMicroelectronics）
請注意，雖然電子保險絲是半導體器件，可在個(gè)位數電壓下工作，但并不限于這個(gè)低壓區域。例如，Texas Instruments TPS2662x系列電子保險絲的額定工作電壓為4.5V至57V。
eFuse：自己造還是買(mǎi)？
原則上，可以用幾個(gè)FET、一個(gè)電阻器和一個(gè)電感，由分立式元件構建基本的eFuse。最初的電子保險絲就是這樣制造的，其中電感器有兩個(gè)作用：直流輸出濾波、利用其繞組的直流電阻作為檢測電阻器。
然而，一個(gè)性能穩定、考慮了元器件特征以及實(shí)際工作條件的增強型電子保險絲所需的不只是幾個(gè)分立式元器件。即使增加元器件，也只能實(shí)現電子保險絲的基本功能（圖7）。
圖7：對于使用分立式元器件實(shí)現基本功能的電子保險絲，必須預見(jiàn)并克服其固有局限性。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
實(shí)際上，隨著(zhù)有源和無(wú)源分立式元器件的增多，不僅器件很快就會(huì )變得笨重，而且容易造成單個(gè)產(chǎn)品間的性能變化，以及與初始容差、元器件老化和溫度引起漂移等相關(guān)的問(wèn)題?？傊?，DIY“制造”的分立式解決方案存在許多局限性：
● 分立式電路一般使用P溝道MOSFET作為通斷元件。就實(shí)現相同的導通電阻值 (RDS(ON))而言，P溝道MOSFET比N溝道MOSFET更貴。
● 分立式解決方案效率低，因為它這種解決方案會(huì )造成二極管功率耗散以及響應的電路板溫升。
● 對于分立式電路來(lái)說(shuō)，很難為無(wú)源元件FET提供足夠的熱保護。因此，無(wú)法進(jìn)行這種關(guān)鍵性改進(jìn)，或者不得不通過(guò)大幅增加設計尺寸來(lái)提供一個(gè)合適的安全工作區 (SOA)。
● 一個(gè)全面的分立式電路需要很多元器件和相當大的電路板空間，而實(shí)現保護電路的穩健性和可靠性也需要增加元器件。
● 雖然分立式設計中的輸出電壓轉換率可以使用電阻電容 (RC) 元件進(jìn)行調節，但這些元件的尺寸必須在仔細了解無(wú)源FET的柵極特性后才能確定。
即使分立式元件方案可以接受，但與IC方案相比其功能仍會(huì )受限。后者可以包括上述部分或全部附加功能，如圖8電子保險絲框圖所示。此外，IC解決方案體積較小，經(jīng)過(guò)充分特征化的性能更穩定，并能以更低的成本做到"安心"實(shí)施，這是多器件解決方案無(wú)法實(shí)現的。值得注意的是，TPS26620規格書(shū)中提供了幾十張性能圖和時(shí)序圖，涵蓋了各種工作條件，這些都是分立式"制造"方式難以提供的。
圖8：全功能電子保險絲外形簡(jiǎn)單，掩蓋了其內部復雜性，這是分立式元器件無(wú)法實(shí)現的。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）
購買(mǎi)標準電子保險絲IC而不是走DIY分立式路線(xiàn)的另一個(gè)關(guān)鍵原因：監管審批。許多熔斷器（熱保險絲和電子保險絲）都是用于與安全有關(guān)的功能，以防止電流過(guò)大而導致元器件過(guò)熱和可能起火，或者造成用戶(hù)傷害。
所有傳統熱保險絲都獲得了各種監管機構和標準的認可，能在使用適當的情況下實(shí)現故障安全型的電流關(guān)斷功能。然而，要想獲得同樣的審批，分立式解決方案是非常困難且相當耗時(shí)，甚至是不可能的。
相比之下，許多電子保險絲IC已經(jīng)獲批。例如，TPS2662x系列電子保險絲已獲UL 2367 認可（“特殊用途固態(tài)過(guò)流保護器”）和IEC 62368-1認證（音頻/視頻、信息和通信技術(shù)設備 - 第1部分：安全要求）。該系列還符合IEC61000-4-5（“電磁兼容性 (EMC) - 第4-5部分：測試和測量技術(shù) - 抗浪涌測試”）。為了獲得認證，這些電子保險絲都通過(guò)了包括最低和最高工作溫度、最低和最高儲存和運輸溫度、大量異常和耐久性測試以及熱循環(huán)等條件下，針對其基本作用的性能測試。
本文小結
eFuse使用有源電路而非易熔連接部分來(lái)切斷電流，用于幫助設計人員滿(mǎn)足快速切斷、自復位和低電流條件下可靠運行等要求。電子保險絲還能具有各種保護功能，以及可調轉換率。因此，這類(lèi)器件是工程師的電路和系統保護器件包的重要補充。
如上所述，電子保險絲可以取代傳統的熱保險絲，盡管在許多情況下只是用于局部保護并采用熱保險絲作為補充。與傳統的熱保險絲一樣，許多電子保險絲也通過(guò)了安全相關(guān)功能的認證，從而擴大了通用性和適用性。
來(lái)源：DigiKey
原創(chuàng )：Bill Schweber
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