【導(dǎo)讀】隨著電子設(shè)備在家庭、辦公室和工業(yè)中的普及，對(duì)高速、緊湊、低成本、可復(fù)位和可調(diào)節(jié)電路保護(hù)器件的需求越來(lái)越重要，以確保用戶安全和最長(zhǎng)的正常設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。傳統(tǒng)熔斷方法的熔斷電流不準(zhǔn)確、響應(yīng)時(shí)間慢，而且通常保險(xiǎn)絲更換不方便。
隨著電子設(shè)備在家庭、辦公室和工業(yè)中的普及，對(duì)高速、緊湊、低成本、可復(fù)位和可調(diào)節(jié)電路保護(hù)器件的需求越來(lái)越重要，以確保用戶安全和最長(zhǎng)的正常設(shè)備運(yùn)行時(shí)間。傳統(tǒng)熔斷方法的熔斷電流不準(zhǔn)確、響應(yīng)時(shí)間慢，而且通常保險(xiǎn)絲更換不方便。
雖然從頭設(shè)計(jì)一個(gè)合適的保護(hù)方案是可以的，但要在可重置的設(shè)備中滿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(xiàn)在也有望具備可調(diào)過(guò)流保護(hù)、可調(diào)浪涌電流壓擺率、過(guò)壓鉗位、反向電流阻斷和熱保護(hù)等功能。這種設(shè)計(jì)需要大量的分立元件和數(shù)個(gè) IC，這樣不僅會(huì)占據(jù) 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足高可靠性要求，滿足諸如 IEC/UL62368-1 和 UL2367 等國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)要求。
為此，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向使用電子保險(xiǎn)絲 (eFuse) IC 來(lái)提供納秒 (ns) 級(jí)短路保護(hù)，這比傳統(tǒng)的保險(xiǎn)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(jiān)固、更緊湊、更可靠和更經(jīng)濟(jì)的電路保護(hù)。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(jì)實(shí)惠、結(jié)構(gòu)緊湊和堅(jiān)固耐用方面是如何滿足設(shè)計(jì)者的電路保護(hù)需求的。
電路保護(hù)需求
過(guò)電流狀況、短路、過(guò)載和過(guò)電壓是電子系統(tǒng)的一些基本電路保護(hù)需求。過(guò)流狀態(tài)下，會(huì)有過(guò)量的電流流經(jīng)導(dǎo)體。這可能會(huì)導(dǎo)致高水平發(fā)熱、火災(zāi)或設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。短路、過(guò)載、設(shè)計(jì)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(hù)電路和設(shè)備用戶，過(guò)流保護(hù)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(xiǎn)，但長(zhǎng)期過(guò)載造成的后果與高過(guò)流同樣不安全。過(guò)載保護(hù)是根據(jù)過(guò)載程度通過(guò)各種時(shí)間延遲來(lái)實(shí)現(xiàn)的。隨著過(guò)載情況的加重，延遲會(huì)隨之縮短。過(guò)載保護(hù)可以用延遲或慢速保險(xiǎn)絲來(lái)實(shí)現(xiàn)。
過(guò)電壓情況會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，還可能導(dǎo)致產(chǎn)生過(guò)多熱量，增大火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。過(guò)電壓也會(huì)給系統(tǒng)用戶或操作員帶來(lái)直接危險(xiǎn)。與過(guò)電流一樣，過(guò)壓保護(hù)也需要快速動(dòng)作，切斷電源。
為確保運(yùn)行安全、穩(wěn)定，有些應(yīng)用受還益于除基本保護(hù)功能以外的其他保護(hù)功能，具體包括可調(diào)級(jí)別的過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)、啟動(dòng)涌流控制、熱保護(hù)和反向電流阻斷功能。各種不同的電路保護(hù)裝置可以滿足這些保護(hù)功能的不同組合需求。
eFuses 如何工作
與傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲和 PPTC 器件相比，eFuse IC 實(shí)現(xiàn)了更廣泛的保護(hù)功能和更高的控制水平（圖 1）。除高速短路保護(hù)外，eFuse 還提供精確的過(guò)壓箝位、可調(diào)過(guò)流保護(hù)、可調(diào)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(nèi)置反向電流阻斷功能。
圖 1：eFuse 可以取代傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲或 PPTC 設(shè)備，并具有更多的保護(hù)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(nèi)部功率 MOSFET，其“導(dǎo)通”電阻通常在毫歐 (mΩ) 范圍內(nèi)，并能處理高輸出電流（圖 2）。正常工作期間，功率 MOSFET 的極低導(dǎo)通電阻確保 VOUT 端電壓與 VIN 端電壓幾乎相同。當(dāng)檢測(cè)到短路時(shí)，MOSFET 會(huì)非常迅速斷開(kāi)，而當(dāng)系統(tǒng)恢復(fù)正常時(shí)，MOSFET 則用來(lái)控制浪涌電流。
圖 2：低導(dǎo)通電阻功率 MOSFET（頂部中心）是 eFuse 實(shí)現(xiàn)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(xiàn)眾多的性能優(yōu)勢(shì)（表 1）。傳統(tǒng)保險(xiǎn)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(fèi)時(shí)間，從而增加了其反應(yīng)時(shí)間。另一方面，eFuse 會(huì)不斷監(jiān)測(cè)電流，一旦電流達(dá)到可調(diào)限流值的 1.6 倍，就會(huì)啟動(dòng)短路保護(hù)。一旦啟動(dòng)，eFuse 的超高速短路保護(hù)技術(shù)只需 150 至 320 納秒即可將電流降至接近零，而保險(xiǎn)絲和 PPTC 的反應(yīng)時(shí)間則為 1 秒或更長(zhǎng)。這種快速反應(yīng)時(shí)間減少了系統(tǒng)應(yīng)力，從而增強(qiáng)了穩(wěn)健性。由于 eFuse 電子保險(xiǎn)絲不會(huì)被短路破壞，因此可以多次使用。
表 1：與保險(xiǎn)絲和 PPTC（聚合開(kāi)關(guān)）器件相比，eFuse IC 的保護(hù)速度更快、精度更高、保護(hù)功能更全。（表格來(lái)源：Toshiba）
與作為一次性設(shè)備的傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲相比，eFuse 有助于降低維護(hù)成本，縮短恢復(fù)和維修時(shí)間。eFuse 有自動(dòng)恢復(fù)和鎖定保護(hù)兩種故障恢復(fù)方式：前者是在故障條件消除后自動(dòng)恢復(fù)正常運(yùn)行，后者是在故障消除后被施加外部信號(hào)時(shí)恢復(fù)。eFuse 還提供過(guò)壓和熱保護(hù)，這對(duì)傳統(tǒng)保險(xiǎn)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(yīng)用的電源軌開(kāi)始。對(duì)于 5 至 12 伏電源軌，TCKE8xx系列 eFuse是不錯(cuò)的選擇。該系列的額定輸入電壓高達(dá) 18 V，電流 5 A，通過(guò)了 IEC 62368-1 認(rèn)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(duì)于設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，TCKE8xx 系列提高了靈活性，包括由外部電阻設(shè)置調(diào)節(jié)過(guò)流值、由外部電容設(shè)置調(diào)節(jié)壓擺率控制，提供過(guò)壓和欠壓保護(hù)、熱關(guān)斷功能以及一個(gè)針對(duì)選用型外部反向電流阻斷 FET 的控制引腳。
設(shè)計(jì)者還可以選擇三種不同的過(guò)壓鉗位：用于 5 V 系統(tǒng)的 6.04 V 鉗位（例如 TCKE805NL, RF），用于 12 V 系統(tǒng)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(jù)不同的型號(hào)，過(guò)壓保護(hù)分為自動(dòng)重試和鉗位兩種方式，鉗位水平的設(shè)定精度為 7%。欠壓鎖定可通過(guò)一個(gè)外部電阻設(shè)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(hù) IC 免受超溫影響。具有自動(dòng)恢復(fù)熱保護(hù)的型號(hào)在溫度下降 20°C 時(shí)重新啟動(dòng)。
圖 4：TCKE8xx 系列電子保險(xiǎn)絲包括多種型號(hào)，鉗位電壓為 6.04 V 的 TCKE805 適用于 5 V 系統(tǒng)，鉗位電壓為 15.1 V 的 TCKE812 適用于 12 V 系統(tǒng)，而 TCKE800 則沒(méi)有鉗位電壓。（圖片來(lái)源：Toshiba）
為確保穩(wěn)定運(yùn)行，這些 eFuse 具有供設(shè)計(jì)者在啟動(dòng)時(shí)設(shè)置電流和電壓斜率的選項(xiàng)（圖 5）。當(dāng)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(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定。eFuse 的 dV/dT 引腳上的外部電容器可用來(lái)設(shè)定電壓和電流的啟動(dòng)斜坡，以防止出現(xiàn)無(wú)跳閘。
圖 5：設(shè)計(jì)者可以設(shè)置電壓和電流的啟動(dòng)斜坡，以確保eFuse 穩(wěn)定運(yùn)行。（圖片來(lái)源：Toshiba）
根據(jù)應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)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(hù)；添加一個(gè)肖特基勢(shì)壘二極管 (SBD)，用于 eFuse 輸出的負(fù)電壓尖峰保護(hù)（圖 6）。反向電流阻斷在熱插拔式磁盤驅(qū)動(dòng)器和電池充電器等應(yīng)用中非常有用。外部 MOSFET 通過(guò) EFET 引腳控制。
在電源總線上會(huì)出現(xiàn)超過(guò) eFuse 最大額定值的瞬時(shí)電壓的系統(tǒng)中，需要添加 TVS 二極管。在有些應(yīng)用中，eFuse 的輸出端可能會(huì)出現(xiàn)負(fù)電壓尖峰，而選用型 SBD 可以保護(hù)負(fù)載側(cè)的 IC 和其他設(shè)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(yīng)用顯示了用于輸入瞬態(tài)電壓保護(hù)的可選 TVS、用于輸出引腳負(fù)電壓尖峰保護(hù)的 SBD 以及用于阻斷反向電流的外部 MOSFET。（圖片來(lái)源：Toshiba）
內(nèi)置反向電流阻斷 MOSFET 的 eFuse
對(duì)于要求解決方案盡可能小且具有反向電流阻斷功能的應(yīng)用，設(shè)計(jì)者可以使用具有兩個(gè)內(nèi)部 MOSFET 的 TCKE712BNL, RF eFuse（圖 7）。第二個(gè)內(nèi)部 MOSFET 沒(méi)有任何性能損失；兩個(gè) MOSFET 的合并導(dǎo)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(xiàn)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(shè)計(jì)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(hù) (OVP) 引腳，使設(shè)計(jì)者能夠設(shè)置過(guò)壓保護(hù)水平，以適應(yīng)特定的系統(tǒng)需求。此外，TCKE712BNL還增加了一個(gè) FLAG 引腳，用于提供開(kāi)漏信號(hào)輸出，表明存在故障狀況。
結(jié)語(yǔ)
確保電子系統(tǒng)的電路和用戶保護(hù)功能至關(guān)重要，在目前設(shè)備激增、故障可能性增加的情況下尤其如此。同時(shí)，設(shè)計(jì)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(hù)靈活性，滿足適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)標(biāo)準(zhǔn)。
eFuse具有超快的動(dòng)作速度、出色的精確性、可靠性和可重復(fù)使用性。這類器件性能優(yōu)良、高度靈活，不僅成為傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲和 PPTC 器件的替代品，而且還具有多種內(nèi)置功能，可大大簡(jiǎn)化電路和用戶保護(hù)的設(shè)計(jì)工作。
(作者：Jacob Beningo，來(lái)源：得捷電子DigiKey微信公眾號(hào))
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