原創：Jacob Beningo＠DigiKey得捷電子
随着電子裝置在家庭、辦公室和工業中的普及，對高速、緊湊、低成本、可複位和可調節電路保護器件的需求越來越重要，以確定使用者安全和最長的正常裝置運作時間。傳統熔斷方法的熔斷電流不準确、響應時間慢，而且通常保險絲更換不友善。
雖然從頭設計一個合适的保護方案是可以的，但要在可重置的裝置中滿足苛刻的延遲和精度要求并非易事。此外，同樣的解決方案現在也有望具備可調過流保護、可調浪湧電流壓擺率、過壓鉗位、反向電流阻斷和熱保護等功能。這種設計需要大量的分立元件和數個 IC，這樣不僅會占據 PC 闆的上很大面積，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 等國際安全标準要求。
為此，設計人員可以轉向使用電子保險絲 (eFuse) IC 來提供納秒 (ns) 級短路保護，這比傳統的保險絲或 PPTC 器件要快一百萬倍。
eFuse 及其工作原理介紹
本文在介紹 eFuse 及其工作原理之前，說明為什麼需要更快速、更堅固、更緊湊、更可靠和更經濟的電路保護。然後，介紹 Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation 提供的幾種 eFuse，并說明這些器件在經濟實惠、結構緊湊和堅固耐用方面是如何滿足設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的一些基本電路保護需求。過流狀态下，會有過量的電流流經導體。這可能會導緻高水準發熱、火災或裝置損壞的風險。短路、過載、設計故障、部件故障以及電弧或接地故障都可能造成過流故障。為了保護電路和裝置使用者，過流保護需要瞬時動作。
存在過載時，過大的電流不會立即産生危險，但長期過載造成的後果與高過流同樣不安全。過載保護是根據過載程度通過各種時間延遲來實作的。随着過載情況的加重，延遲會随之縮短。過載保護可以用延遲或慢速保險絲來實作。
過電壓情況會導緻系統運作不穩定，還可能導緻産生過多熱量，增大火災風險。過電壓也會給系統使用者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。
為確定運作安全、穩定，有些應用受還益于除基本保護功能以外的其他保護功能，具體包括可調級别的過壓和過流保護、啟動湧流控制、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
與傳統保險絲和 PPTC 器件相比，eFuse IC 實作了更廣泛的保護功能和更高的控制水準（圖 1）。除高速短路保護外，eFuse 還提供精确的過壓箝位、可調過流保護、可調電壓和電流壓擺率控制，以便盡可能減少浪湧電流和熱關斷。各個不同的版本還包括内置反向電流阻斷功能。
圖 1：eFuse 可以取代傳統保險絲或 PPTC 裝置，并具有更多的保護功能和更高的控制水準。（圖檔來源：Toshiba）
eFuse 性能的關鍵因素之一是内部功率 MOSFET，其“導通”電阻通常在毫歐 (mΩ) 範圍内，并能處理高輸出電流（圖 2）。正常工作期間，功率 MOSFET 的極低導通電阻確定 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，而當系統恢複正常時，MOSFET 則用來控制浪湧電流。
圖 2：低導通電阻功率 MOSFET（頂部中心）是 eFuse 實作快速動作和受控啟動能力的關鍵。（圖檔來源：Toshiba）
除了功率 MOSFET 之外，eFuse 的有源性質也有助于實作衆多的性能優勢（表 1）。傳統保險絲和 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，進而增加了其反應時間。另一方面，eFuse 會不斷監測電流，一旦電流達到可調限流值的 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隻需 150 至 320 納秒即可将電流降至接近零，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應力，進而增強了穩健性。由于 eFuse 電子保險絲不會被短路破壞，是以可以多次使用。
表格來源：Toshiba
表 1：與保險絲和 PPTC（聚合開關）器件相比，eFuse IC 的保護速度更快、精度更高、保護功能更全。
與作為一次性裝置的傳統保險絲相比，eFuse 有助于降低維護成本，縮短恢複和維修時間。eFuse 有自動恢複和鎖定保護兩種故障恢複方式：前者是在故障條件消除後自動恢複正常運作，後者是在故障消除後被施加外部信号時恢複。eFuse 還提供過壓和熱保護，這對傳統保險絲或 PPTC 來說是不可能的。
選擇 eFuses
選擇合适的 eFuse 通常要從應用的電源軌開始。對于 5 至 12 伏電源軌， eFuse是不錯的選擇。該系列的額定輸入電壓高達 18 V，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。（圖檔來源：Toshiba）
對于設計者來說，TCKE8xx 系列提高了靈活性，包括由外部電阻設定調節過流值、由外部電容設定調節壓擺率控制，提供過壓和欠壓保護、熱關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。
設計者還可以選擇三種不同的過壓鉗位：用于 5 V 系統的 6.04 V 鉗位（例如 ），用于 12 V 系統的 15.1 V鉗位（包括 ），以及無鉗位電壓（例如 ）（圖 4）。根據不同的型号，過壓保護分為自動重試和鉗位兩種方式，鉗位水準的設定精度為 7%。欠壓鎖定可通過一個外部電阻設定。熱關斷可在 eFuse 的溫度超過 160℃ 時将其斷開，進而保護 IC 免受超溫影響。具有自動恢複熱保護的型号在溫度下降 20°C 時重新啟動。
圖檔來源：Toshiba
圖 4：TCKE8xx 系列電子保險絲包括多種型号，鉗位電壓為 6.04 V 的 TCKE805 适用于 5 V 系統，鉗位電壓為 15.1 V 的 TCKE812 适用于 12 V 系統，而 TCKE800 則沒有鉗位電壓。
為確定穩定運作，這些 eFuse 具有供設計者在啟動時設定電流和電壓斜率的選項（圖 5）。當接通電源時，巨大的浪湧電流會流入輸出電容并使 eFuse 跳閘，進而導緻運作不穩定。eFuse 的 dV/dT 引腳上的外部電容器可用來設定電壓和電流的啟動斜坡，以防止出現無跳閘。
圖 5：設計者可以設定電壓和電流的啟動斜坡，以確定eFuse 穩定運作。（圖檔來源：Toshiba）
根據應用要求，設計者可以添加一個外部 N 溝道功率 MOS，用于阻斷反向電流；添加一個瞬态電壓抑制 (TVS) 二極管，用于輸入瞬态電壓保護；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超過 eFuse 最大額定值的瞬時電壓的系統中，需要添加 TVS 二極管。在有些應用中，eFuse 的輸出端可能會出現負電壓尖峰，而選用型 SBD 可以保護負載側的 IC 和其他裝置以及 eFuse 本身。Toshiba 推薦将 作為外部 MOSFET， 作為 TVS 二極管，而 作為 SBD。
圖檔來源：Toshiba
圖 6：TCKE8xx 系列 eFuse 的典型應用顯示了用于輸入瞬态電壓保護的可選 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。
内置反向電流阻斷 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，設計者可以使用具有兩個内部 MOSFET 的 eFuse（圖 7）。第二個内部 MOSFET 沒有任何性能損失；兩個 MOSFET 的合并導通電阻隻有 53 mΩ，與使用外部阻斷 MOSFET 時差不多。
圖檔來源：Toshiba
圖 7：TCKE712BNL, RF eFuse 包括兩個 MOSFET（頂部中間），可實作反向電流阻斷，無需外部 MOSFET。
與 TCKE8xx 系列的固定電壓設計相比，TCKE712BNL, RF 的輸入電壓範圍為 4.4 至 13.2 V。為了支援這種可能的輸入電壓範圍，該器件有一個過壓保護 (OVP) 引腳，使設計者能夠設定過壓保護水準，以适應特定的系統需求。此外，TCKE712BNL還增加了一個 FLAG 引腳，用于提供開漏信号輸出，表明存在故障狀況。
結語
確定電子系統的電路和使用者保護功能至關重要，在目前裝置激增、故障可能性增加的情況下尤其如此。同時，設計者必須将成本和封裝降到最小，同時還要具有最大的保護靈活性，滿足适當的保護标準。
eFuse具有超快的動作速度、出色的精确性、可靠性和可重複使用性。這類器件性能優良、高度靈活，不僅成為傳統保險絲和 PPTC 器件的替代品，而且還具有多種内置功能，可大大簡化電路和使用者保護的設計工作。