随着电子设备在家庭、办公室和工业中的普及，对高速、紧凑、低成本、可复位和可调节器件的需求逐渐重要，以确保用户安全和最长的正常设备正常运行时间。传统熔断方法的熔断电流不准确、响应时间慢，而且通常保险丝更换不方便。
随着电子设备在家庭、办公室和工业中的普及，对高速、紧凑、低成本、可复位和可调节电路保护器件的需求逐渐重要，以确保用户安全和最长的正常设备正常运行时间。传统熔断方法的熔断电流不准确、响应时间慢，而且通常保险丝更换不方便。
虽然从头设计一个合适的保护方案是可以的，但要在可重置的设备中满足苛刻的延迟和精度要求并非易事。此外，同样的解决方案现在也有望具备可调过流保护、可调浪涌电流压摆率、过压钳位、反向电流阻断和热保护等功能。这种设计需要大量的分立元件和数个 IC，这样不仅会占据 PC 板的上很大面积，提高成本，还会延迟上市时间。持续不断的增加难度是为满足高可靠性要求，满足诸如 IEC/UL62368-1 和 UL2367 等国际安全标准要求。
为此，设计人能转向使用电子保险丝 (eFuse) IC 来提供纳秒 (ns) 级短路保护，这比传统的保险丝或 PPTC 器件要快一百万倍。
本文在介绍eFuse及其工作原理之前，说明为什么需要更快速、更坚固、更紧凑、更可靠和更经济的电路保护。然后，介绍 Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation 提供的几种eFuse，并说明这一些器件在经济实惠、结构紧凑和坚固耐用方面是如何满足设计者的电路保护需求的。
过电流状况、短路、过载和过电压是电子系统的一些基本电路保护需求。过流状态下，会有过量的电流流经导体。这有几率会使高水平发热、火灾或设备损坏的风险。短路、过载、设计故障、部件故障以及电弧或接地故障都会造成过流故障。为保护电路和设备用户，过流保护需要瞬时动作。
存在过载时，过大的电流不会立即产生危险，但长期过载造成的后果与高过流同样不安全。过载保护是根据过载程度通过种种时间延迟来实现的。随着过载情况的加重，延迟会随之缩短。过载保护可以用延迟或慢速保险丝来实现。
过电压情况会导致系统运行不稳定，还可能会引起产生过多热量，增大火灾风险。过电压也会给系统用户或操作员带来直接危险。与过电流一样，过压保护也需要快速动作，切断电源。
为确保运行安全、稳定，有些应用受还益于除基本保护功能以外的其他保护功能，具体包括可调级别的过压和过流保护、启动涌流控制、热保护和反向电流阻断功能。各种不同的电路保护设施可以满足这些保护功能的不同组合需求。
与传统保险丝和 PPTC 器件相比，eFuse IC 实现了更广泛的保护功能和更高的控制水平（图 1）。除高速短路保护外，eFuse 还提供精确的过压箝位、可调过流保护、可调电压和电流压摆率控制，以便尽可能减少浪涌电流和热关断。各个不同的版本还包括内置反向电流阻断功能。
图 1：eFuse 可以取代传统保险丝或 PPTC 设备，并具有更多的保护功能和更高的控制水平。（图片来自：Toshiba）
eFuse 性能的重要的条件之一是内部功率 MOSFET，其“导通”电阻通常在毫欧 (mΩ) 范围内，并能处理高输出电流（图 2）。正常工作期间，功率 MOSFET 的极低导通电阻确保 VOUT 端电压与 VIN 端电压几乎相同。当检测到短路时，MOSFET 会非常迅速断开，而当系统回到正常状态时，MOSFET 则用来控制浪涌电流。
图 2：低导通电阻功率 MOSFET（顶部中心）是 eFuse 实现快速动作和受控启动能力的关键。（图片来自：Toshiba）
除了功率 MOSFET 之外，eFuse 的有源性质也有助于实现众多的性能优势（表 1）。传统保险丝和 PPTC 是无源器件，跳闸电流的精度很低。它们都依靠焦耳加热且耗费时间，从而增加了其反应时间。另一方面，eFuse 会不断监测电流，一旦电流达到可调限流值的 1.6 倍，就会启动短路保护。一旦启动，eFuse 的超高速短路保护技术只需 150 至 320 纳秒即可将电流降至接近零，而保险丝和 PPTC 的反应时间则为 1 秒或更长。这种快速反应时间减少了系统应力，从而增强了稳健性。由于 eFuse 电子保险丝不会被短路破坏，因此能多次使用。
表 1：与保险丝和 PPTC（聚合开关）器件相比，eFuse IC 的保护速度更快、精度更高、保护功能更全。（表格来源：Toshiba）
与作为一次性设备的传统保险丝相比，eFuse 有助于降低维护成本，缩短恢复和维修时间。eFuse 有自动恢复和锁定保护两种故障恢复方式：前者是在故障条件消除后自动恢复正常运行，后者是在故障消除后被施加外部信号时恢复。eFuse 还提供过压和热保护，这对传统保险丝或 PPTC 来说是不可能的。
对于设计者来说，TCKE8xx 系列提高了灵活性，包括由外部电阻设置调节过流值、由外部电容设置调节压摆率控制，提供过压和欠压保护、热关断功能和一个针对选用型外部反向电流阻断 FET 的控制引脚。
设计者还可以再一次进行选择三种不同的过压钳位：用于 5 V 系统的 6.04 V 钳位（例如 TCKE805NL, RF），用于 12 V 系统的 15.1 V钳位（包括 TCKE812NL, RF），以及无钳位电压（例如 TCKE800NL, RF）（图 4）。根据不同的型号，过压保护分为自动重试和钳位两种方式，钳位水平的设定精度为 7%。欠压锁定可通过一个外部电阻设定。热关断可在 eFuse 的温度超过 160℃ 时将其断开，从而保护 IC 免受超温影响。具有自动恢复热保护的型号在温度下降 20°C 时重新启动。
为确保稳定运行，这些 eFuse 具有供设计者在启动时设置电流和电压斜率的选项（图 5）。当接通电源时，巨大的浪涌电流会流入输出电容并使 eFuse 跳闸，因此导致运行不稳定。eFuse 的 dV/dT 引脚上的外部电容器可用来设定电压和电流的启动斜坡，以防止出现无跳闸。
图 5：设计者可设为电压和电流的启动斜坡，以确保eFuse 稳定运行。（图片来自：Toshiba）
根据应用要求，设计者能添加一个外部 N 沟道功率 MOS，用于阻断反向电流；添加一个瞬态电压抑制 (TVS) 二极管，用于输入瞬态电压保护；添加一个肖特基势垒二极管 (SBD)，用于 eFuse 输出的负电压尖峰保护（图 6）。反向电流阻断在热插拔式磁盘驱动器和电池充电器等应用中很有用。外部 MOSFET 通过 EFET 引脚控制。
对于要求解决方案尽可能小且具有反向电流阻断功能的应用，设计者能够正常的使用具有两个内部 MOSFET 的 TCKE712BNL, RF eFuse（图 7）。第二个内部 MOSFET 没有一点性能损失；两个 MOSFET 的合并导通电阻只有 53 mΩ，与使用外部阻断 MOSFET 时差不多。
与 TCKE8xx 系列的固定电压设计相比，TCKE712BNL, RF 的输入电压范围为 4.4 至 13.2 V。为了支持这种可能的输入电压范围，该器件有一个过压保护 (OVP) 引脚，使设计者能够设置过压保护水平，以适应特定的系统需求。此外，TCKE712BNL还增加了一个 FLAG 引脚，用于提供开漏信号输出，表明存在严重故障状况。
确保电子系统的电路和用户保护功能至关重要，在目前设备激增、故障可能性增加的情况下尤其如此。同时，设计者必须将成本和封装降到最小，并且要具有最大的保护灵活性，满足适当的保护标准。
eFuse具有超快的动作速度、出色的精确性、可靠性和可重复使用性。这类器件性能优良、高度灵活，不仅成为传统保险丝和 PPTC 器件的替代品，而且还具有多种内置功能，可大大简化电路和用户保护的设计工作。
© 所有版权归 江南app软件库 并拥有修订、解释权力 2021年 / 备案号：闽ICP备09019040号