隨著電子設(shè)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(diào)節(jié)電路保護器件的需求越來越重要，以確保用戶安全和最長的正常設(shè)備運行時間。傳統(tǒng)熔斷方法的熔斷電流不準確、響應時間慢，而且通常保險絲更換不方便。

雖然從頭設(shè)計一個合適的保護方案是可以的，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)過流保護、可調(diào)浪涌電流壓擺率、過壓鉗位、反向電流阻斷和熱保護等功能。這種設(shè)計需要大量的分立元件和數(shù)個 IC，這樣不僅會占據(jù) PC 板的上很大面積，提高成本，還會延遲上市時間。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 等國際安全標準要求。

為此，設(shè)計人員可以轉(zhuǎn)向使用電子保險絲 (eFuse) IC 來提供納秒 (ns) 級短路保護，這比傳統(tǒng)的保險絲或 PPTC 器件要快一百萬倍。

本文在介紹eFuse及其工作原理之前，說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ToshibaElectronic Devices and Storage Corporation提供的幾種 eFuse，并說明這些器件在經(jīng)濟實惠、結(jié)構(gòu)緊湊和堅固耐用方面是如何滿足設(shè)計者的電路保護需求的。

電路保護需求

過電流狀況、短路、過載和過電壓是電子系統(tǒng)的一些基本電路保護需求。過流狀態(tài)下，會有過量的電流流經(jīng)導體。這可能會導致高水平發(fā)熱、火災或設(shè)備損壞的風險。短路、過載、設(shè)計故障、部件故障以及電弧或接地故障都可能造成過流故障。為了保護電路和設(shè)備用戶，過流保護需要瞬時動作。

存在過載時，過大的電流不會立即產(chǎn)生危險，但長期過載造成的后果與高過流同樣不安全。過載保護是根據(jù)過載程度通過各種時間延遲來實現(xiàn)的。隨著過載情況的加重，延遲會隨之縮短。過載保護可以用延遲或慢速保險絲來實現(xiàn)。

過電壓情況會導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，還可能導致產(chǎn)生過多熱量，增大火災風險。過電壓也會給系統(tǒng)用戶或操作員帶來直接危險。與過電流一樣，過壓保護也需要快速動作，切斷電源。

為確保運行安全、穩(wěn)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(diào)級別的過壓和過流保護、啟動涌流控制、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足這些保護功能的不同組合需求。

eFuses 如何工作

與傳統(tǒng)保險絲和 PPTC 器件相比，eFuse IC 實現(xiàn)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 還提供精確的過壓箝位、可調(diào)過流保護、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)保險絲或 PPTC 設(shè)備，并具有更多的保護功能和更高的控制水平。（圖片來源：Toshiba） eFuse 性能的關(guān)鍵因素之一是內(nèi)部功率 MOSFET，其“導通”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，MOSFET 會非常迅速斷開，而當系統(tǒng)恢復正常時，MOSFET 則用來控制浪涌電流。圖 2：低導通電阻功率 MOSFET（頂部中心）是 eFuse 實現(xiàn)快速動作和受控啟動能力的關(guān)鍵。（圖片來源：Toshiba）除了功率 MOSFET 之外，eFuse 的有源性質(zhì)也有助于實現(xiàn)眾多的性能優(yōu)勢（表 1）。傳統(tǒng)保險絲和 PPTC 是無源器件，跳閘電流的精度很低。它們都依靠焦耳加熱且耗費時間，從而增加了其反應時間。另一方面，eFuse 會不斷監(jiān)測電流，一旦電流達到可調(diào)限流值的 1.6 倍，就會啟動短路保護。一旦啟動，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 的反應時間則為 1 秒或更長。這種快速反應時間減少了系統(tǒng)應力，從而增強了穩(wěn)健性。由于 eFuse 電子保險絲不會被短路破壞，因此可以多次使用。表 1：與保險絲和 PPTC（聚合開關(guān)）器件相比，eFuse IC 的保護速度更快、精度更高、保護功能更全。（表格來源：Toshiba）與作為一次性設(shè)備的傳統(tǒng)保險絲相比，eFuse 有助于降低維護成本，縮短恢復和維修時間。eFuse 有自動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恢復正常運行，后者是在故障消除后被施加外部信號時恢復。eFuse 還提供過壓和熱保護，這對傳統(tǒng)保險絲或 PPTC 來說是不可能的。

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 18V，電流 5 A，通過了 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。（圖片來源：Toshiba）對于設(shè)計者來說，TCKE8xx 系列提高了靈活性，包括由外部電阻設(shè)置調(diào)節(jié)過流值、由外部電容設(shè)置調(diào)節(jié)壓擺率控制，提供過壓和欠壓保護、熱關(guān)斷功能以及一個針對選用型外部反向電流阻斷 FET 的控制引腳。

設(shè)計者還可以選擇三種不同的過壓鉗位：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），以及無鉗位電壓（例如TCKE800NL,RF）（圖 4）。根據(jù)不同的型號，過壓保護分為自動重試和鉗位兩種方式，鉗位水平的設(shè)定精度為 7%。欠壓鎖定可通過一個外部電阻設(shè)定。熱關(guān)斷可在 eFuse 的溫度超過 160℃ 時將其斷開，從而保護 IC 免受超溫影響。具有自動恢復熱保護的型號在溫度下降 20°C 時重新啟動。

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(tǒng)，鉗位電壓為 15.1 V 的 TCKE812 適用于 12 V 系統(tǒng)，而 TCKE800 則沒有鉗位電壓。（圖片來源：Toshiba）

為確保穩(wěn)定運行，這些 eFuse 具有供設(shè)計者在啟動時設(shè)置電流和電壓斜率的選項（圖 5）。當接通電源時，巨大的浪涌電流會流入輸出電容并使 eFuse 跳閘，從而導致運行不穩(wěn)定。eFuse 的 dV/dT 引腳上的外部電容器可用來設(shè)定電壓和電流的啟動斜坡，以防止出現(xiàn)無跳閘。

圖 5：設(shè)計者可以設(shè)置電壓和電流的啟動斜坡，以確保eFuse 穩(wěn)定運行。（圖片來源：Toshiba）

根據(jù)應用要求，設(shè)計者可以添加一個外部 N 溝道功率 MOS，用于阻斷反向電流；添加一個瞬態(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驅(qū)動器和電池充電器等應用中非常有用。外部 MOSFET 通過 EFET 引腳控制。

在電源總線上會出現(xiàn)超過 eFuse 最大額定值的瞬時電壓的系統(tǒng)中，需要添加 TVS 二極管。在有些應用中，eFuse 的輸出端可能會出現(xiàn)負電壓尖峰，而選用型 SBD 可以保護負載側(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。（圖片來源：Toshiba）

內(nèi)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(shè)計者可以使用具有兩個內(nèi)部 MOSFET 的TCKE712BNL,RFeFuse（圖 7）。第二個內(nèi)部 MOSFET 沒有任何性能損失；兩個 MOSFET 的合并導通電阻只有 53 mΩ，與使用外部阻斷 MOSFET 時差不多。

圖 7：TCKE712BNL, RF eFuse 包括兩個 MOSFET（頂部中間），可實現(xiàn)反向電流阻斷，無需外部 MOSFET。（圖片來源：Toshiba）

與 TCKE8xx 系列的固定電壓設(shè)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，該器件有一個過壓保護 (OVP) 引腳，使設(shè)計者能夠設(shè)置過壓保護水平，以適應特定的系統(tǒng)需求。此外，TCKE712BNL還增加了一個 FLAG 引腳，用于提供開漏信號輸出，表明存在故障狀況。

結(jié)語

確保電子系統(tǒng)的電路和用戶保護功能至關(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，設(shè)計者必須將成本和封裝降到最小，同時還要具有最大的保護靈活性，滿足適當?shù)谋Ｗo標準。

eFuse具有超快的動作速度、出色的精確性、可靠性和可重復使用性。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，可大大簡化電路和用戶保護的設(shè)計工作。

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