熱保險(xiǎn)絲作為一種基本的電路保護(hù)器件,已經(jīng)成功使用了 150多年。熱保險(xiǎn)絲有效、可靠、易用,具有各種不同的數(shù)值和版本,能夠滿足不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)。然而,對于尋求以極快的速度切斷電流的設(shè)計(jì)人員來說,熱保險(xiǎn)絲不可避免的缺點(diǎn)就是其自復(fù)位能力,以及在相對較低的電流下的工作能力。對于這些設(shè)計(jì)人員來說,電子保險(xiǎn)絲(通常用eFuse 或者 e-Fuse 表示)是一種很好的解決方案,有時(shí)還可以取代熱保險(xiǎn)絲,但通常是對熱保險(xiǎn)絲功能的補(bǔ)充。
eFuse 基于一個(gè)簡單概念,即通過測量已知電阻器上的電壓來檢測電流,然后在電流超過設(shè)計(jì)限值時(shí),通過場效應(yīng)晶體管 (FET) 切斷電流。eFuse具有熱保險(xiǎn)絲無法實(shí)現(xiàn)特性、靈活性和功能。
本文將介紹電子保險(xiǎn)絲的工作原理。然后,探討有源電路保險(xiǎn)絲的特點(diǎn)、附加功能及如何有效使用。
eFuses如何工作?
傳統(tǒng)熱保險(xiǎn)絲的工作原理簡單可靠,為人熟知:當(dāng)通過易熔連接部分的電流超過設(shè)計(jì)值時(shí),該元件就會(huì)被充分加熱而熔化。這樣,電流路徑被切斷,電流歸零。根據(jù)保險(xiǎn)絲的額定值、類型以及過電流的大小,熱保險(xiǎn)絲可在幾百毫秒到幾秒內(nèi)作出響應(yīng)并斷開電流通路。當(dāng)然,和所有的有源和無源元器件一樣,對于這個(gè)原理簡單的純無源器件來說,也會(huì)有很多變化、細(xì)節(jié)和遮蔽運(yùn)行可供選擇。
相比之下,電子保險(xiǎn)絲的工作原理則截然不同。電子保險(xiǎn)絲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 的基本概念同樣很直接:負(fù)載電流通過
FET 和一個(gè)檢測電阻器,并通過該檢測電阻器上的電壓進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)該電壓超過預(yù)設(shè)值時(shí),控制邏輯會(huì)斷開 FET 并切斷電流路徑(圖 1)。FET
與電源線和負(fù)載串聯(lián),必須具有非常低的導(dǎo)通電阻,因此不會(huì)引起過大的電流電阻 (IR) 降或功率損失。
圖 1:在電子保險(xiǎn)絲中,當(dāng)從電源到負(fù)載的電流通過檢測電阻時(shí),通過該電阻上的電壓進(jìn)行監(jiān)測;當(dāng)測得的電壓超過設(shè)定值時(shí),控制邏輯將 FET
斷開,以阻斷電流流向負(fù)載。
看起來,eFuse 只是經(jīng)典無源熱保險(xiǎn)絲的一個(gè)更復(fù)雜的有源版本。雖然如此,電子保險(xiǎn)絲也有一些獨(dú)特的屬性:
速度:反應(yīng)快,其斷開反應(yīng)時(shí)間為微秒級,有些設(shè)計(jì)能達(dá)到納秒級。這一屬性對于今天采用相對敏感的 IC 和無源元件的電路來說非常重要。
低電流操作:電子保險(xiǎn)絲不僅可以采用低電流工作設(shè)計(jì)(大約 100 毫安 (mA)
或更小),而且還可以在很低的個(gè)位數(shù)電壓下正常工作。在這些水平下,熱保險(xiǎn)絲往往無法獲得足夠的自熱電流,以促使其易熔連接部分熔斷。
可復(fù)位:根據(jù)具體型號,eFuse
可選擇在激活后保持?jǐn)嚅_(稱為閂鎖模式),或在當(dāng)前故障消失后恢復(fù)正常工作(自動(dòng)重啟模式)。后一種設(shè)置在沒有“硬”故障的瞬態(tài)浪涌電流情況下特別有用,例如當(dāng)板子插入帶電總線時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況。在更換保險(xiǎn)絲困難或成本較高的情況下,也很有用。
反向電流保護(hù):電子保險(xiǎn)絲也可以提供反向電流保護(hù),這是熱熔斷器無法做到的。當(dāng)系統(tǒng)輸出電壓高于其輸入的電壓時(shí),就會(huì)出現(xiàn)反向電流。例如,在一組冗余電源并聯(lián)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況。
過壓保護(hù):借助一些額外的電路,eFuse 還可以提供過壓保護(hù),以防止浪涌或感應(yīng)跳閘,即當(dāng)輸入電壓超過設(shè)定的過壓跳閘點(diǎn)時(shí),切斷 FET
并在過壓條件持續(xù)期間保持在斷開狀態(tài)。
反極性保護(hù):eFuse 還可以提供反極性保護(hù),如果電源反向連接,則迅速切斷電流。例如汽車電池因電纜意外接觸而短暫的反接。
轉(zhuǎn)換速率遞增:一些先進(jìn)的電子保險(xiǎn)絲還可以通過外部控制或使用固定元件來控制無源元件 FET
的導(dǎo)通/關(guān)斷之間的切換,從而提供規(guī)定的斷電/上電電流轉(zhuǎn)換速率。
因此,eFuses 是一種極具吸引力的電流控制解決方案。雖然在某些情況下這些器件可以代替熱保險(xiǎn)絲,但兩者往往是成對搭配使用的。在這種布局中,eFuse
用于為子電路或 PC 板提供局部快速響應(yīng)保護(hù),例如在熱插拔系統(tǒng)、汽車應(yīng)用、可編程邏輯控制器 (PLC)
和電池充放電管理中;互補(bǔ)式熱保險(xiǎn)絲可提供系統(tǒng)級保護(hù),以防止需要硬性永久關(guān)斷的大面積嚴(yán)重故障。
這樣一來,設(shè)計(jì)者就能做到兩全其美,即電子保險(xiǎn)絲的所有功能加上熱保險(xiǎn)絲清晰明確的動(dòng)作。在技術(shù)上無需做任何取舍即可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),而且也不會(huì)有任何缺陷。當(dāng)然,與任何設(shè)計(jì)決策一樣,也會(huì)考慮一些權(quán)衡。在這種情況下,占用空間的增加和材料清單
(BOM) 會(huì)略大。
選擇 eFuse:功能和應(yīng)用
選擇電子保險(xiǎn)絲時(shí)需要考慮一些基本參數(shù)。很顯然,首要考慮因素是保險(xiǎn)絲動(dòng)作時(shí)的電流水平。電流水平通常為從 1 安培 (A) 以下到 10 A
左右,以及保險(xiǎn)絲能夠耐受的最高端子電壓。對于一些電子保險(xiǎn)絲來說,電流水平是固定的,而對于其他器件來說,其電流水平可由用戶通過外部電阻器設(shè)置。其他選擇因素包括響應(yīng)速度、靜態(tài)電流、尺寸(封裝)以及所需外部輔助元器件的數(shù)量和類型(如有)。此外,設(shè)計(jì)人員還必須考慮不同的電子保險(xiǎn)絲型號可能具有的任何附加特性和功能。
例如,PLC 是一種電子保險(xiǎn)絲在其不同子電路中都非常有用的應(yīng)用,因?yàn)檫@類電路易于發(fā)生傳感器 I/O
和電源錯(cuò)接。此外,在連接導(dǎo)線或熱插拔電路板時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流浪涌。例如,Texas Instruments 的 TPS26620 電子保險(xiǎn)絲通常用于這類 24 V
應(yīng)用中。如圖 2 所示,其設(shè)定的電流限值為 500 mA。該保險(xiǎn)絲的工作電壓為 4.5 V 至 60 V,最大電流為 80
mA,具有可編程的電流限值、過壓、欠壓和反極性保護(hù)功能。該 IC 還可以控制浪涌電流,并為 PLC I/O
模塊和傳感器電源提供強(qiáng)大的反向電流和現(xiàn)場誤接線保護(hù)。
圖 2:圖中所示為 Texas Instruments 的 TPS26620 電子保險(xiǎn)絲在該 24 V DC PLC 應(yīng)用中的跳閘電流設(shè)置為 500
mA。
圖 3 中 Toshiba TCKE805(18 V、5 A 電子保險(xiǎn)絲)的時(shí)序圖顯示了某個(gè)供應(yīng)商如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重啟與閂鎖模式。在自動(dòng)重啟模式下(由
EN/UVLO 封裝引腳設(shè)定),過流保護(hù)功能通過抑制故障情況下的功耗來防止電子保險(xiǎn)絲及負(fù)載受損。
圖 3:Toshiba TCKE805 18 V、5 A 電子保險(xiǎn)絲采用“測試和重復(fù)循環(huán)”循序來評估恢復(fù)電流是否安全。
如果通過外部電阻器 (RLIM) 設(shè)定的輸出電流由于負(fù)載故障或者短路而超過電流限值 (ILIM) 時(shí),則輸出電流和輸出電壓下降,從而限制 IC
和負(fù)載的功耗。當(dāng)輸出電流達(dá)到預(yù)設(shè)限值并檢測到過電流時(shí),輸出電流會(huì)被鉗制,以使流經(jīng)的電流不超過
ILIM。假如過電流問題在此階段未解決,則會(huì)維持這種電流鉗制狀態(tài)且電子保險(xiǎn)絲的溫度繼續(xù)升高。
當(dāng)電子保險(xiǎn)絲的溫度達(dá)到熱關(guān)斷功能的動(dòng)作溫度時(shí),eFuse MOSFET
被關(guān)斷,將電流徹底斷開。自動(dòng)重啟功能試圖通過阻止這種電流來恢復(fù)電流流動(dòng),這樣會(huì)降低溫度并解除熱關(guān)斷。如果溫度再次升高,則重復(fù)上述動(dòng)作并停止運(yùn)行,直到過流情況解除。
相反,閂鎖模式會(huì)箝制輸出,直到通過 IC 的使能 (EN/UVLO) 引腳使電子保險(xiǎn)絲復(fù)位(圖 4)。
圖 4:與自動(dòng)重啟模式不同,Toshiba 電子保險(xiǎn)絲在閂鎖模式下只有接收到 IC 使能引腳發(fā)出的指令時(shí)才會(huì)復(fù)位。
一些電子保險(xiǎn)絲經(jīng)過專門配置后,能夠克服與電阻器上的檢測電流相關(guān)的問題,例如 IR
降,此類情況會(huì)降低輸出側(cè)的電源軌電壓。例如,STMicroelectronics 的 3.3 V STEF033AJR 的最大標(biāo)稱電流和 FET
導(dǎo)通電阻值分別為 3.6 A 和 40 毫歐 (mΩ),這是 DFN 封裝版器件,而 2.5 A 和 25 mΩ 則是倒裝片封裝版器件。在圖 5
所示的傳統(tǒng)連接中,在較高電流下即使通過導(dǎo)通電阻的電源軌中出現(xiàn)約 15 毫伏 (mV) 的適度 IR 降也可能是明顯且令人擔(dān)憂的。
圖 5:在 STEF033AJR 的傳統(tǒng)接線中,用于確定限流值的電阻器 R-lim 放在兩個(gè)指定的端子之間。
在傳統(tǒng)接線方式中,把電阻放在正壓側(cè)限位連接和輸出電壓連接 (VOUT/Source) 之間,這樣修改后就可實(shí)現(xiàn)對 IR 降進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_爾文檢測布局(圖
6)。
圖 6:為了減少電流檢測 IR 降的影響,限流電阻器的負(fù)極側(cè)連接電壓輸出 (VOUT/Source)。
請注意,雖然電子保險(xiǎn)絲是半導(dǎo)體器件,可在個(gè)位數(shù)電壓下工作,但并不限于這個(gè)低壓區(qū)域。例如, Texas Instruments TPS2662x
系列電子保險(xiǎn)絲的額定工作電壓為 4.5 V 至 57 V。
eFuse:自己造還是買?
原則上,可以用幾個(gè) FET、一個(gè)電阻器和一個(gè)電感,由分立式元件構(gòu)建基本的
eFuse。最初的電子保險(xiǎn)絲就是這樣制造的,其中電感器有兩個(gè)作用:直流輸出濾波、利用其繞組的直流電阻作為檢測電阻器。
然而,一個(gè)性能穩(wěn)定、考慮了元器件特征以及實(shí)際工作條件的增強(qiáng)型電子保險(xiǎn)絲所需的不只是幾個(gè)分立式元器件。即使增加元器件,也只能實(shí)現(xiàn)電子保險(xiǎn)絲的基本功能(圖7)。
圖 7:對于使用分立式元器件實(shí)現(xiàn)基本功能的電子保險(xiǎn)絲,必須預(yù)見并克服其固有局限性。
實(shí)際上,隨著有源和無源分立式元器件的增多,不僅器件很快就會(huì)變得笨重,而且容易造成單個(gè)產(chǎn)品間的性能變化,以及與初始容差、元器件老化和溫度引起漂移等相關(guān)的問題。總之,DIY“制造”的分立式解決方案存在許多局限性:
分立式電路一般使用 P 溝道 MOSFET 作為通斷元件。就實(shí)現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻值 (RDS(ON)) 而言,P 溝道 MOSFET 比 N 溝道
MOSFET 更貴。
分立式解決方案效率低,因?yàn)樗@種解決方案會(huì)造成二極管功率耗散以及響應(yīng)的電路板溫升。
對于分立式電路來說,很難為無源元件 FET 提供足夠的熱保護(hù)。因此,無法進(jìn)行這種關(guān)鍵性改進(jìn),或者不得不通過大幅增加設(shè)計(jì)尺寸來提供一個(gè)合適的安全工作區(qū)
(SOA)。
一個(gè)全面的分立式電路需要很多元器件和相當(dāng)大的電路板空間,而實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路的穩(wěn)健性和可靠性也需要增加元器件。
雖然分立式設(shè)計(jì)中的輸出電壓轉(zhuǎn)換率可以使用電阻電容 (RC) 元件進(jìn)行調(diào)節(jié),但這些元件的尺寸必須在仔細(xì)了解無源 FET 的柵極特性后才能確定。
即使分立式元件方案可以接受,但與 IC 方案相比其功能仍會(huì)受限。后者可以包括上述部分或全部附加功能,如圖 8 電子保險(xiǎn)絲框圖所示。此外,IC
解決方案體積較小,經(jīng)過充分特征化的性能更穩(wěn)定,并能以更低的成本做到“安心”實(shí)施,這是多器件解決方案無法實(shí)現(xiàn)的。值得注意的是,TPS26620
規(guī)格書中提供了幾十張性能圖和時(shí)序圖,涵蓋了各種工作條件,這些都是分立式“制造”方式難以提供的。
圖 8:全功能電子保險(xiǎn)絲外形簡單,掩蓋了其內(nèi)部復(fù)雜性,這是分立式元器件無法實(shí)現(xiàn)的。
購買標(biāo)準(zhǔn)電子保險(xiǎn)絲 IC 而不是走 DIY分立式路線的另一個(gè)關(guān)鍵原因:監(jiān)管審批。許多熔斷器(熱保險(xiǎn)絲和電子保險(xiǎn)絲)都是用于與安全有關(guān)的功能,以防止電流過大而導(dǎo)致元器件過熱和可能起火,或者造成用戶傷害。
所有傳統(tǒng)熱保險(xiǎn)絲都獲得了各種監(jiān)管機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可,能在使用適當(dāng)?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)故障安全型的電流關(guān)斷功能。然而,要想獲得同樣的審批,分立式解決方案是非常困難且相當(dāng)耗時(shí),甚至是不可能的。
相比之下,許多電子保險(xiǎn)絲 IC 已經(jīng)獲批。例如,TPS2662x 系列電子保險(xiǎn)絲已獲 UL 2367 認(rèn)可(“特殊用途固態(tài)過流保護(hù)器”)和 IEC
62368-1 認(rèn)證(音頻/視頻、信息和通信技術(shù)設(shè)備 - 第 1 部分:安全要求)。該系列還符合 IEC61000-4-5(“電磁兼容性 (EMC) - 第
4-5 部分:測試和測量技術(shù) -
抗浪涌測試”)。為了獲得認(rèn)證,這些電子保險(xiǎn)絲都通過了包括最低和最高工作溫度、最低和最高儲存和運(yùn)輸溫度、大量異常和耐久性測試以及熱循環(huán)等條件下,針對其基本作用的性能測試。
結(jié)論
eFuse使用有源電路而非易熔連接部分來切斷電流,用于幫助設(shè)計(jì)人員滿足快速切斷、自復(fù)位和低電流條件下可靠運(yùn)行等要求。電子保險(xiǎn)絲還能具有各種保護(hù)功能,以及可調(diào)轉(zhuǎn)換率。因此,這類器件是工程師的電路和系統(tǒng)保護(hù)器件包的重要補(bǔ)充。
如上所述,電子保險(xiǎn)絲可以取代傳統(tǒng)的熱保險(xiǎn)絲,盡管在許多情況下只是用于局部保護(hù)并采用熱保險(xiǎn)絲作為補(bǔ)充。與傳統(tǒng)的熱保險(xiǎn)絲一樣,許多電子保險(xiǎn)絲也通過了安全相關(guān)功能的認(rèn)證,從而擴(kuò)大了通用性和適用性。
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