作者@@：Jacob Beningo，来源@@：得捷电子@@@@DigiKey微信公众号@@
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@@需求越来越重要@@，以确保@@用户安全和@@最长的@@正常设备@@@@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@@188足彩外围@@app 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@@。不断增加难度是@@为了满足高@@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@@，设计人员可以转向使用电子@@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@@@@。
电路保护@@需求@@
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@@。这可能会导致高@@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@@接地故障都可能造成过流故障@@。为了保护电路和@@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@@各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@@@@，还可能导致产生过多热量@@，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@@装置可以满足这些@@保护功能的@@不同组合需求@@。
eFuses 如何工作@@
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@@来源@@@@：Toshiba）
eFuse 性能的@@关键因素之一是@@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@@恢复正常时@@，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@@来源@@@@：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@@，因此可以多次使用@@。
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@@@@。
选择@@ eFuses
选择@@合适的@@@@ eFuse 通常要从应用的@@电源轨开始@@。对于@@ 5 至@@ 12 伏电源轨@@，TCKE8xx系列@@ eFuse是@@不错的@@选择@@@@。该系列@@的@@额定输入电压高@@达@@ 18 V，电流@@ 5 A，通过@@了@@ IEC 62368-1 认证@@，符合@@ UL2367 要求@@，采用@@ WSON10B 封装@@，尺寸为@@ 3.0 mm x 3.0 mm x 0.7 mm 高@@，间距为@@ 0.5 mm（图@@ 3）。
图@@ 3：Toshiba 的@@ eFuses 采用@@ 3 mm x 3 mm、0.7 mm 高@@的@@@@ WSON10B 表@@面贴装封装@@@@。（图@@片@@来源@@@@：Toshiba）
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@@、热关断功能以及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@@。
图@@ 4：TCKE8xx 系列@@电子@@保险丝包括@@多种型号@@，钳位@@电压为@@ 6.04 V 的@@ TCKE805 适用于@@@@ 5 V 系统@@，钳位@@电压为@@ 15.1 V 的@@ TCKE812 适用于@@@@ 12 V 系统@@，而@@ TCKE800 则没有钳位@@电压@@。（图@@片@@来源@@@@：Toshiba）
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@@，从而@@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：设计者可以设置电压和@@电流@@的@@启动斜坡@@，以确保@@eFuse 稳定@@运行@@。（图@@片@@来源@@@@：Toshiba）
根据应用要求@@@@，设计者可以添加一个外部@@@@ 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非常有用@@。外部@@ MOSFET 通过@@ EFET 引脚@@控制@@。
在电源总线上会出现超过@@ eFuse 最大额定值的@@瞬时电压的@@系统@@中@@，需要添加@@ TVS 二极管@@。在有些应用中@@，eFuse 的@@输出端可能会出现负电压尖峰@@，而@@选用型@@ SBD 可以保护负载侧的@@@@ IC 和@@其@@他设备@@@@以及@@ eFuse 本身@@。Toshiba 推荐将@@ SSM6K513NU, LF 作为@@外部@@@@ MOSFET，DF2S23P2CTC, L3F 作为@@ TVS 二极管@@，而@@ CUHS20S30, H3F 作为@@ SBD。
图@@ 6：TCKE8xx 系列@@ eFuse 的@@典型应用显示了用于@@输入瞬态电压保护@@的@@可选@@ TVS、用于@@输出引脚@@负电压尖峰保护的@@@@ SBD 以及用于@@阻断反向电流@@@@的@@外部@@@@ MOSFET。（图@@片@@来源@@@@：Toshiba）
内置反向电流@@阻断@@ MOSFET 的@@ eFuse
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@@，设计者可以使用具有两个@@内部@@ MOSFET 的@@ TCKE712BNL, RF eFuse（图@@ 7）。第二个内部@@ MOSFET 没有任何性能损失@@；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@@。
图@@ 7：TCKE712BNL, RF eFuse 包括@@两个@@@@ MOSFET（顶部中间@@），可实现反向电流@@阻断@@，无需外部@@@@ MOSFET。（图@@片@@来源@@@@：Toshiba）
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@@明存在故障状况@@。
结语@@
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@@，同时@@还要具有最大的@@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@@。