不一樣的熔斷器

 

先從工作原理上來(lái)講。傳統(tǒng)的熔斷器——比如玻璃管熔斷器和芯片熔斷器等——其工作機(jī)理是通過(guò)自身物理上的不可逆的變化（熔化）來(lái)切斷電路。這類(lèi)熔斷器的缺點(diǎn)很明顯：分?jǐn)嚯娏鞑淮_定，熔斷時(shí)間慢，熔斷器每次工作——即被電流破壞——后都需要進(jìn)行更換。

 

而所謂電子熔斷器eFuse IC，它的工作機(jī)理與傳統(tǒng)熔斷器不同——當(dāng)電流過(guò)大時(shí)，eFuse IC是通過(guò)關(guān)閉內(nèi)置MOSFET來(lái)切斷電流路徑，起到保護(hù)的作用。這個(gè)過(guò)程中，器件內(nèi)部并沒(méi)有不可逆的物理?yè)p壞，這也就意味著在每次分?jǐn)嚯娐饭ぷ骱?，它還可以經(jīng)過(guò)重置來(lái)重復(fù)使用，而無(wú)需更換，從而有效降低系統(tǒng)維護(hù)時(shí)間和成本。此外，這種工作機(jī)理讓eFuse IC在過(guò)流檢測(cè)精度以及“熔斷”時(shí)間上，也都超過(guò)了傳統(tǒng)物理熔斷器的表現(xiàn)。這可以說(shuō)是eFuse IC帶給我們的第一個(gè)“想不到”。

 

圖2：TCKE8xx系列eFuse IC系統(tǒng)框圖（圖源：Toshiba）

 

第二個(gè)“想不到”的地方是，除了傳統(tǒng)意義上的“熔斷”保護(hù)，eFuse IC還提供了其他一系列電路保護(hù)功能，它們包括：

 

提供電流鉗位和電壓鉗位模式，通過(guò)將電流和電壓鉗制在額定值上，既能防止發(fā)生過(guò)流和過(guò)壓，保護(hù)電路，又能維持電路的供電。

提供過(guò)熱保護(hù)和短路保護(hù)功能，在發(fā)生嚴(yán)重過(guò)熱或意外短路現(xiàn)象時(shí)，能立即切斷電源，起到保護(hù)電路的作用。

通過(guò)與外部的MOSFET配合使用，eFuse IC還可提供反向電流阻斷功能。

可調(diào)節(jié)浪涌電流壓擺率，有效防止浪涌電流沖擊。

上述這些功能意味著，與使用分立式元器件件的傳統(tǒng)電路保護(hù)方案相比，使用高集成度的eFuse IC能避免復(fù)雜的線路設(shè)計(jì)，僅用較少數(shù)量的元器件件和較小占板面積，即可實(shí)現(xiàn)更豐富的電路保護(hù)功能。同時(shí)，產(chǎn)品符合IEC/UL 62368-1和UL 2367等國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求。

 

eFuse IC的上述特性，使其特別適合于各種需要高密度電路板設(shè)計(jì)的便攜式應(yīng)用，如工業(yè)應(yīng)用、家用電器、辦公自動(dòng)化設(shè)備和電池供電物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備等。

 

eFuse IC電子熔斷器特性

 

過(guò)流限制精度：±11% ＠Ta=-40至+85℃，ILIM=4.38A

超高速短路保護(hù)：tFastOffDly=150ns（典型值）＠Ta=-40至+85℃

高輸出電流：IOUT=0至5.0A

薄型緊湊封裝：3.00×3.00mm（典型值），t=0.75mm（最大值）
 

圖3：eFuse IC豐富的電路保護(hù)特性與典型應(yīng)用（圖源：Toshiba）

 

eFuse IC特性詳解

 

大家可能會(huì)好奇，上述如此豐富的電路保護(hù)功能，是如何在一個(gè)緊湊的IC中實(shí)現(xiàn)的？我們下面做詳細(xì)地說(shuō)明。

 

1. 快速短路保護(hù)

 

短路保護(hù)功能是為了防止電源線或負(fù)載因某些錯(cuò)誤而發(fā)生短路時(shí)電流過(guò)大。由于TCKE8xx系列eFuse IC采用了超高速短路保護(hù)技術(shù)，在短路發(fā)生后，當(dāng)輸出電流達(dá)到過(guò)電流極限（ILIMIT）的1.6倍時(shí)（也稱(chēng)為“快速跳閘”或“短路跳閘”），將被判斷為短路，電流會(huì)在150ns（典型值）內(nèi)下降至接近零。圖4中顯示了當(dāng)eFuse IC以12V電源供電，突發(fā)短路情況時(shí)理想狀態(tài)下的仿真波形。這一特性對(duì)于確保電子線路和設(shè)備的可靠性和穩(wěn)健性非常必要。

 

圖4：eFuse IC快速短路保護(hù)特性（圖源：Toshiba）

 

2. 高精度過(guò)電流保護(hù)

 

eFuse IC的過(guò)電流保護(hù)功能是指當(dāng)輸出電流因負(fù)載異常或短路而突然增加時(shí)，將輸出電流保持在不超過(guò)過(guò)電流上限值（ILIMIT）的功能，也將輸出電壓控制在后級(jí)集成電路的擊穿電壓范圍內(nèi)，這樣可以防止系統(tǒng)瞬時(shí)斷電，同時(shí)保護(hù)設(shè)備不會(huì)因?yàn)榘l(fā)熱而老化或損壞。eFuse IC不僅可以在很寬的溫度范圍內(nèi)提供高精度過(guò)流鉗位（如圖5），還可以通過(guò)改變外部電阻對(duì)過(guò)電流保護(hù)功能進(jìn)行設(shè)置，并可以通過(guò)雙過(guò)電流保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)有力的保護(hù)，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的靈活性。

 

圖5：eFuse IC高精度過(guò)流保護(hù)特性（圖源：Toshiba）

 

3. 高精度過(guò)電壓鉗位功能

 

除了過(guò)流鉗位，eFuse IC還提供高精度電壓鉗位功能，將輸出電壓限制在規(guī)定輸出電壓范圍內(nèi)，防止向后續(xù)級(jí)IC施加過(guò)大電壓。以圖6中的TCKE805為例，即使輸入電壓增加，輸出電壓也會(huì)被抑制，不會(huì)超過(guò)大約6.0V（典型值）。因此，即使輸入電壓瞬間變大，電壓鉗位功能也能將輸出電壓保持在后級(jí)IC的耐受電壓范圍內(nèi)。

 

圖6：eFuse IC高精度過(guò)壓保護(hù)特性（圖源：Toshiba）

 

4. 抑制浪涌電流的功能

 

當(dāng)輸出端接通時(shí)，充電電流流過(guò)輸出電容器，輸出電容越大，輸入電壓越高，浪涌電流也會(huì)越大。如果該電流過(guò)大，過(guò)電流保護(hù)電路可能會(huì)出現(xiàn)故障，使其無(wú)法啟動(dòng)，或致使輸出電壓會(huì)過(guò)高。eFuse IC可以用較小的外部電容來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的壓擺率，從而簡(jiǎn)化抑制浪涌電流的電路設(shè)計(jì)。

 

圖7：eFuse IC抑制浪涌電流特性（圖源：Toshiba）

 

5. 熱關(guān)斷功能和恢復(fù)工作

 

當(dāng)eFuse IC中的過(guò)電流或過(guò)電壓狀況持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間，使得IC溫度超過(guò)設(shè)定溫度，將觸發(fā)熱關(guān)斷功能，關(guān)閉輸出以防止器件損壞。當(dāng)eFuse IC內(nèi)部溫度下降時(shí)，器件可以恢復(fù)工作。eFuse IC在不同的型號(hào)中提供自動(dòng)重試（Auto-Retry）和鎖存型（Latch）兩種恢復(fù)工作類(lèi)型，讓用戶(hù)根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)需要進(jìn)行選擇：

 

自動(dòng)重試恢復(fù)型（TCKE805NA）：會(huì)在溫度下降時(shí)自動(dòng)恢復(fù)線路。

鎖存型（TCKE805NL）：通過(guò)外部信號(hào)進(jìn)行恢復(fù)。
 

圖8：eFuse IC熱關(guān)斷功能和恢復(fù)工作（圖源：Toshiba）

 

6. 反向電流阻斷功能

 

反向電流阻斷功能是防止電流從輸出端流向輸入端的功能，例如當(dāng)輸出電壓高于輸入電壓時(shí)。eFuse IC TCKE8xx本身內(nèi)置了N溝道MOSFET，如果與另一個(gè)外置的N溝道MOSFET連接配合使用，并且柵極電壓由EFET端子提供，當(dāng)輸入電壓為0V（eFuse IC關(guān)閉）且輸出端子側(cè)的電壓較高時(shí)，可以防止反向電流流動(dòng)，起到阻斷反向電流的作用。

 

圖9：eFuse IC反向電流阻斷功能（圖源：Toshiba）

 

7. IEC 62368-1安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證

 

最后值得一提的是，eFuse IC獲得了針對(duì)消費(fèi)類(lèi)和電信設(shè)備安全的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC62368-1的認(rèn)證，這讓開(kāi)發(fā)者在使用eFuse IC時(shí)，無(wú)需對(duì)后級(jí)電路中的IC（如圖10中的PMIC和MCU）進(jìn)行單一故障測(cè)試，能夠幫助用戶(hù)在設(shè)備量產(chǎn)的啟動(dòng)階段，便捷地獲得相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，并在設(shè)備使用中通過(guò)更換傳統(tǒng)熔斷器降低維護(hù)成本。

 

圖10：eFuse IC通過(guò)IEC 62368-1安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證（圖源：Toshiba）

 

參考方案

當(dāng)然，作為一個(gè)IC，eFuse IC不能像傳統(tǒng)的熔斷器那樣，直接接插在電源線上，而是要與外圍的電子元器件共同組成一個(gè)電路保護(hù)系統(tǒng)，再與需要保護(hù)的電路相連。為了開(kāi)發(fā)者能夠快速上手體驗(yàn)eFuse IC的強(qiáng)大功能，Toshiba提供了一個(gè)完整的參考設(shè)計(jì)（如圖11）。

 

圖11：eFuse IC參考設(shè)計(jì)（圖源：Toshiba）

 

該參考設(shè)計(jì)的核心是eFuse IC系列中的TCKE805NA/NL，其旁邊的另一顆器件是Toshiba的SSM6K513NU N溝道MOSFET，與eFuse IC搭配使用，實(shí)現(xiàn)反向電流阻斷功能。Toshiba還提供了該參考設(shè)計(jì)完整的電路圖文件、BOM清單，以及其他技術(shù)文檔，方便用戶(hù)對(duì)器件的評(píng)估和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

 

圖12：eFuse IC參考設(shè)計(jì)應(yīng)用框圖（圖源：Toshiba）

 

熔斷器（保險(xiǎn)絲）這個(gè)元器件，看上去不起眼，原理也不復(fù)雜，似乎給元器件廠商進(jìn)一步發(fā)揮的空間有限，但在eFuse IC身上我們卻見(jiàn)識(shí)到了什么才是顛覆傳統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，它以一種全新的設(shè)計(jì)思路，為我們習(xí)以為常的保險(xiǎn)絲賦予了新的內(nèi)涵，讓人不由得贊嘆：“原來(lái)保險(xiǎn)絲，還可以這么設(shè)計(jì)……”