作者@@：Bill Schweber，文章来源@@： 得捷电子@@@@DigiKey微信公众号@@
热保险丝作为一种基本的@@电路保护器件@@，已经成功使用了@@150多年@@。热保险丝有效@@、可靠@@、易用@@，具有各种不同的@@数值和@@版本@@，能够满足不同的@@设计目标@@。然而@@@@，对于寻求以极快的@@速度@@切断@@电流@@的@@设计人员来说@@，热保险丝不可避免的@@缺点就是其自复位能力@@，以及在@@相对较低的@@电流下的@@工作能力@@。对于这些设计人员来说@@，电子@@保险丝@@（通常用@@eFuse或@@者@@e-Fuse表示@@）是一种很好的@@解决方案@@，有时@@还可以取代热保险丝@@，但通常是对热保险丝功能的@@补充@@。
eFuse基于一个简单概念@@，即通过测量已知电阻器上的@@电压来检测电流@@，然后@@在@@电流超过设计限值时@@@@，通过场效应晶体管@@ (FET) 切断@@电流@@。eFuse具有热保险丝无法实现特性@@、灵活性和@@功能@@。
本文将介绍电子@@保险丝@@的@@工作原理@@。然后@@，探讨有源电路保险丝的@@特点@@、附加功能及如何有效使用@@。同时@@@@，本文还将以@@Texas Instruments、Toshiba Electronic Devices and Storage、STMicroelectronics的@@解决方案为例介绍电子@@保险丝@@及其有效使用情况@@。
eFuses如何工作@@？
传统热保险丝的@@工作原理简单可靠@@@@，为人熟知@@：当通过易熔连接部分@@的@@电流超过设计值时@@@@，该@@188足彩外围@@app 就会被充分加热而@@熔化@@。这样@@，电流路径被切断@@@@，电流归零@@。根据保险丝的@@额定值@@、类型以及过电流的@@大小@@，热保险丝可在@@几百毫秒到几秒内作出响应并断开@@电流通路@@。当然@@，和@@所有的@@有源和@@无源@@元器件一样@@，对于这个原理简单的@@纯无源器件来说@@，也会有很多变化@@、细节和@@遮蔽运行可供选择@@@@。
相比@@之下@@，电子@@保险丝@@的@@工作原理则截然不同@@。电子@@保险丝@@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@@基本概念同样很直接@@：负载电流通过@@FET和@@一个检测电阻器@@，并通过该@@检测电阻器上的@@电压进行监控@@。当该@@电压超过预设值时@@@@，控制逻辑会断开@@@@FET并切断@@电流@@路径@@（图@@1）。FET与电源线和@@负载串联@@，必须具有非常低的@@导通@@电阻@@，因此@@不会引起过大的@@电流电阻@@ (IR) 降@@或@@功率损失@@。
图@@1：在@@电子@@保险丝@@中@@@@，当从电源到负载的@@电流通过检测电阻时@@@@，通过该@@电阻上的@@电压进行监测@@；当测得的@@电压超过设定值时@@@@，控制逻辑将@@FET断开@@，以阻断电流流向负载@@。（图@@片@@来源@@：Texas Instruments）
看起来@@，eFuse只是经典无源热保险丝的@@一个更复杂的@@有源版本@@。虽然如此@@，电子@@保险丝@@也有一些独特的@@属性@@：
速度@@：反应快@@，其断开@@反应时@@间为微秒级@@，有些设计能达到纳秒级@@。这一属性对于今天采用相对敏感的@@@@IC和@@无源@@188足彩外围@@app 的@@电路来说非常重要@@。
低电流操作@@：电子@@保险丝@@不仅可以采用低电流工作设计@@（大约@@100毫安@@ (mA) 或@@更小@@），而@@且还可以在@@很低的@@个位数电压下正常工作@@。在@@这些水平下@@，热保险丝往往无法获得足够的@@自热电流@@，以促使其易熔连接部分@@熔断@@。
可复位@@：根据具体型号@@，eFuse可选择@@在@@激活后保持断开@@@@（称为闩锁模式@@），或@@在@@当前故障消失后恢复正常工作@@（自动重启模式@@）。后一种设置在@@没有@@"硬@@"故障的@@瞬态浪涌电流情况下特别有用@@，例如@@当板子插入带电总线时@@就会出现这种情况@@。在@@更换保险丝困难或@@成本较高的@@情况下@@，也很有用@@。
反向电流保护@@：电子@@保险丝@@也可以提供反向电流保护@@@@，这是@@热熔断器无法做到的@@@@。当系统输出电压高于其输入的@@电压时@@@@，就会出现反向电流@@。例如@@，在@@一组冗余电源并联时@@就会出现这种情况@@。
过压@@保护@@：借助一些额外的@@电路@@，eFuse还可以提供过压@@保护@@@@，以防止浪涌或@@感应跳闸@@，即当输入电压超过设定的@@过压@@跳闸点时@@@@，切断@@FET并在@@过压@@条件持续期间保持在@@断开@@状态@@。
反极性保护@@：eFuse还可以提供反极性保护@@@@，如果电源反向连接@@，则迅速切断@@电流@@@@。例如@@汽车电池因电缆意外接触而@@短暂的@@反接@@。
转换速率递增@@：一些先进的@@电子@@保险丝@@还可以通过外部控制或@@使用固定@@188足彩外围@@app 来控制无源@@188足彩外围@@app FET的@@导通@@/关断之间@@的@@切换@@，从而@@提供规定的@@断电@@/上电电流转换速率@@。
因此@@，eFuses是一种极具吸引力的@@电流控制解决方案@@。虽然在@@某些情况下这些器件可以代替热保险丝@@，但两者往往是成对搭配使用的@@@@。在@@这种布局中@@@@，eFuse用于为子电路或@@@@PC板提供局部快速响应保护@@，例如@@在@@热插拔系统@@、汽车应用@@、可编程逻辑控制器@@ (PLC) 和@@电池充放电管理中@@@@；互补式热保险丝可提供系统级保护@@，以防止需要硬@@性永久关断的@@大面积严重故障@@。
这样@@一来@@，设计者就能做到两全其美@@，即电子@@保险丝@@的@@所有功能加上热保险丝清晰明确的@@动作@@。在@@技术@@上无需做任何取舍即可实现这一目标@@，而@@且也不会有任何缺陷@@。当然@@，与任何设计决策一样@@，也会考虑一些权衡@@。在@@这种情况下@@，占用空间@@的@@增加和@@材料清单@@ (BOM) 会略大@@。
选择@@eFuse：功能和@@应用@@
选择@@电子@@保险丝@@时@@需要考虑一些基本参数@@。很显然@@，首要考虑因素是保险丝动作时@@的@@电流水平@@。电流水平通常为从@@1安培@@(A)以下到@@10A左右@@，以及保险丝能够耐受的@@最高端子电压@@。对于一些电子@@保险丝@@来说@@，电流水平是固定的@@@@，而@@对于其他器件来说@@，其电流水平可由@@用户通过外部电阻器设置@@。其他选择@@因素包括响应速度@@@@、静态电流@@、尺寸@@（封装@@）以及所需外部辅助元器件的@@数量和@@类型@@（如有@@）。此外@@，设计人员还必须考虑不同的@@电子@@保险丝@@型号可能具有的@@任何附加特性和@@功能@@。
例如@@，PLC是一种电子@@保险丝@@在@@其不同子电路中@@都非常有用的@@应用@@，因为这类电路易于发生传感器@@I/O和@@电源错接@@。此外@@，在@@连接导线或@@热插拔电路板时@@会出现电流浪涌@@。例如@@，Texas Instruments的@@TPS26620电子@@保险丝@@通常用@@于这类@@24V应用中@@@@。如图@@@@2所示@@，其设定的@@电流限值为@@500mA。该@@保险丝的@@工作电压为@@4.5V至@@60V，最大电流为@@80mA，具有可编程的@@电流限值@@、过压@@、欠压和@@反极性保护@@功能@@。该@@IC还可以控制浪涌电流@@，并为@@PLC I/O模块和@@传感器电源提供强大的@@反向电流和@@现场误接线保护@@。
图@@2：图@@中@@所示@@为@@Texas Instruments的@@TPS26620电子@@保险丝@@在@@该@@@@24V DC PLC应用中@@@@的@@跳闸电流设置为@@500mA。（图@@片@@来源@@：Texas Instruments）
图@@3中@@Toshiba TCKE805（18V、5A电子@@保险丝@@）的@@时@@序图@@显示了某个供应商如何实现自动重启与闩锁模式@@。在@@自动重启模式@@下@@（由@@EN/UVLO封装@@引脚设定@@），过流保护功能通过抑制故障情况下的@@功耗来防止电子@@保险丝@@及负载受损@@。
图@@3：Toshiba TCKE805 18V、5A电子@@保险丝@@采用@@“测试和@@重复循环@@”循序来评估恢复电流是否安全@@。（图@@片@@来源@@：Toshiba）
如果通过外部电阻器@@ (RLIM) 设定的@@输出电流由@@于负载故障或@@者@@短路而@@超过电流限值@@ (ILIM) 时@@，则输出电流和@@输出电压下降@@@@，从而@@限制@@IC和@@负载的@@功耗@@。当输出电流达到预设限值并检测到过电流时@@@@，输出电流会被钳制@@，以使流经的@@电流不超过@@ILIM。假如过电流问题在@@此阶段未解决@@，则会维持这种电流钳制状态且电子@@保险丝@@的@@温度继续升高@@。
当电子@@保险丝@@的@@温度达到热关断功能的@@动作温度时@@@@，eFuse MOSFET被关断@@，将电流彻底断开@@@@。自动重启功能试图@@通过阻止这种电流来恢复电流流动@@，这样@@会降@@低温度并解除热关断@@。如果温度再次升高@@，则重复上述动作并停止运行@@，直到过流情况解除@@。
相反@@，闩锁模式会箝制输出@@，直到通过@@IC的@@使能@@ (EN/UVLO) 引脚使电子@@保险丝@@复位@@（图@@4）。
图@@4：与自动重启模式@@不同@@，Toshiba电子@@保险丝@@在@@闩锁模式下只有接收到@@IC使能引脚发出的@@指令时@@才会复位@@。（图@@片@@来源@@：Toshiba）
一些电子@@保险丝@@经过专门配置后@@，能够克服与电阻器上的@@检测电流相关的@@问题@@，例如@@IR降@@，此类情况会降@@低输出侧的@@电源轨电压@@。例如@@，STMicroelectronics的@@3.3V STEF033AJR的@@最大标称电流和@@@@FET导通电阻值分别为@@3.6A和@@40毫欧@@(mΩ)，这是@@DFN封装@@版器件@@，而@@2.5A和@@25mΩ则是倒装片封装@@版器件@@@@。在@@图@@@@5所示@@的@@传统连接中@@@@，在@@较高电流下即使通过导通电阻的@@电源轨中@@出现约@@15毫伏@@(mV)的@@适度@@IR降@@也可能是明显且令人担忧的@@@@。
图@@5：在@@STEF033AJR的@@传统接线中@@@@，用于确定限流值的@@电阻器@@R-lim放在@@两个指定的@@端子之间@@@@。（图@@片@@来源@@：STMicroelectronics）
在@@传统接线方式中@@@@，把电阻放在@@正压侧限位连接和@@输出电压连接@@ (VOUT/Source) 之间@@，这样@@修改后就可实现对@@IR降@@进行补偿的@@开尔文检测布局@@（图@@6）。
图@@6：为了减少电流检测@@IR降@@的@@影响@@，限流电阻器的@@负极侧连接电压输出@@ (VOUT/Source)。（图@@片@@来源@@：STMicroelectronics）
请注意@@，虽然电子@@保险丝@@是半导体器件@@，可在@@个位数电压下工作@@，但并不限于这个低压区域@@。例如@@，Texas Instruments TPS2662x系列电子@@保险丝@@的@@额定工作电压为@@4.5V至@@57V。
eFuse：自己造还是买@@？
原则上@@，可以用几个@@FET、一个电阻器和@@一个电感@@，由@@分立式@@188足彩外围@@app 构建基本的@@@@eFuse。最初的@@电子@@保险丝@@就是这样@@制造@@的@@@@，其中@@电感器有两个作用@@：直流输出滤波@@、利用其绕组的@@直流电阻作为检测电阻器@@。
然而@@@@，一个性能稳定@@、考虑了元器件特征以及实际工作条件的@@增强型电子@@保险丝@@所需的@@不只是几个分立式元器件@@。即使增加元器件@@，也只能实现电子@@保险丝@@的@@基本功能@@（图@@7）。
图@@7：对于使用分立式元器件实现基本功能的@@电子@@保险丝@@@@，必须预见并克服其固有局限性@@。（图@@片@@来源@@：Texas Instruments）
实际上@@，随着有源和@@无源@@分立式元器件的@@增多@@，不仅器件很快就会变得笨重@@，而@@且容易造成单个产品间的@@性能变化@@，以及与初始容差@@、元器件老化和@@温度引起漂移等相关的@@问题@@。总之@@，DIY“制造@@”的@@分立式解决方案存在@@许多局限性@@：
分立式电路一般使用@@P沟道@@MOSFET作为通断@@188足彩外围@@app
。就实现相同的@@导通@@电阻值@@ (RDS(ON))而@@言@@，P沟道@@MOSFET比@@N沟道@@MOSFET更贵@@。
分立式解决方案效率低@@，因为它这种解决方案会造成二极管功率耗散以及响应的@@电路板温升@@。
对于分立式电路来说@@，很难为无源@@188足彩外围@@app FET提供足够的@@热保护@@。因此@@，无法进行这种关键性改进@@，或@@者@@不得不通过大幅增加设计尺寸@@来提供一个合适的@@安全工作区@@ (SOA)。
一个全面的@@分立式电路需要很多元器件和@@相当大的@@电路板空间@@@@，而@@实现保护电路的@@稳健性和@@可靠@@性也需要增加元器件@@。
虽然分立式设计中@@的@@输出电压转换率可以使用电阻电容@@ (RC) 188足彩外围@@app
进行调节@@，但这些@@188足彩外围@@app
的@@尺寸@@必须在@@仔细了解无源@@FET的@@栅极特性后才能确定@@。
即使分立式@@188足彩外围@@app
方案可以接受@@，但与@@IC方案相比@@其功能仍会受限@@。后者可以包括上述部分@@或@@全部附加功能@@，如图@@@@8电子@@保险丝@@框图@@所示@@@@。此外@@，IC解决方案体积较小@@，经过充分特征化的@@性能更稳定@@，并能以更低的@@成本做到@@"安心@@"实施@@，这是@@多器件解决方案无法实现的@@@@。值得注意的@@是@@，TPS26620规格书中@@提供了几十张性能图@@和@@时@@序图@@@@，涵盖了各种工作条件@@，这些都是分立式@@"制造@@"方式难以提供的@@@@。
图@@8：全功能电子@@保险丝@@外形简单@@，掩盖了其内部复杂性@@，这是@@分立式元器件无法实现的@@@@。（图@@片@@来源@@：Texas Instruments）
购买标准电子@@保险丝@@@@IC而@@不是走@@DIY分立式路线的@@另一个关键原因@@：监管审批@@。许多熔断器@@（热保险丝和@@电子@@保险丝@@@@）都是用于与安全有关@@的@@功能@@，以防止电流过大而@@导致元器件过热和@@可能起火@@，或@@者@@造成用户伤害@@。
所有传统热保险丝都获得了各种监管机构和@@标准的@@认可@@@@，能在@@使用适当的@@情况下实现故障安全型的@@电流关断功能@@。然而@@@@，要想获得同样的@@审批@@，分立式解决方案是非常困难且相当耗时@@@@，甚至@@是不可能的@@@@。
相比@@之下@@，许多电子@@保险丝@@@@IC已经获批@@。例如@@，TPS2662x系列电子@@保险丝@@已获@@UL 2367 认可@@（“特殊用途固态过流保护器@@”）和@@IEC 62368-1认证@@（音频@@/视频@@、信息和@@通信技术@@设备@@@@ - 第@@1部分@@：安全要求@@）。该@@系列还符合@@IEC61000-4-5（“电磁兼容性@@ (EMC) - 第@@4-5部分@@：测试和@@测量技术@@@@ - 抗浪涌测试@@”）。为了获得认证@@@@，这些电子@@保险丝@@都通过了包括最低和@@最高工作温度@@、最低和@@最高储存和@@运输温度@@、大量异常和@@耐久性测试以及热循环等条件下@@，针对其基本作用的@@性能测试@@。
本文小结@@
eFuse使用有源电路而@@非易熔连接部分@@来切断@@电流@@@@，用于帮助设计人员满足快速切断@@@@、自复位和@@低电流条件下可靠@@运行等要求@@。电子@@保险丝@@还能具有各种保护功能@@，以及可调转换率@@。因此@@，这类器件是工程师的@@电路和@@系统保护器件包的@@重要补充@@。
如上所述@@，电子@@保险丝@@可以取代传统的@@热保险丝@@，尽管在@@许多情况下只是用于局部保护并采用热保险丝作为补充@@。与传统的@@热保险丝一样@@，许多电子@@保险丝@@@@也通过了安全相关功能的@@认证@@@@，从而@@扩大了通用性和@@适用性@@。