【導讀】隨著電子設備在家庭
、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
，以確保用戶安全和最長的正常設備運行時間。傳統熔斷方法的熔斷電流不準確、響應時間慢，而且通常保險絲更換不方便。

隨著電子設備在家庭、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，以確保用戶安全和最長的正常設備運行時間。傳統熔斷方法的熔斷電流不準確、響應時間慢，而且通常保險絲更換不方便。

雖sui然ran從cong頭tou設she計ji一yi個ge合he適shi的de保bao護hu方fang案an是shi可ke以yi的de，但dan要yao在zai可ke重zhong置zhi的de設she備bei中zhong滿man足zu苛ke刻ke的de延yan遲chi和he精jing度du要yao求qiu並bing非fei易yi事shi。此ci外wai
，同tong樣yang的de解jie決jue方fang案an現xian在zai也ye有you望wang具ju備bei可ke調tiao過guo流liu保bao護hu
、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 板的上很大麵積，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 等國際安全標準要求。

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。

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，並說明這些器件在經濟實惠、結構緊湊和堅固耐用方麵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係統的一些基本電路保護需求。過流狀態下，會有過量的電流流經導體。這可能會導致高水平發熱、火災或設備損壞的風險。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。為了保護電路和設備用戶，過流保護需要瞬時動作。

存cun在zai過guo載zai時shi，過guo大da的de電dian流liu不bu會hui立li即ji產chan生sheng危wei險xian
，但dan長chang期qi過guo載zai造zao成cheng的de後hou果guo與yu高gao過guo流liu同tong樣yang不bu安an全quan。過guo載zai保bao護hu是shi根gen據ju過guo載zai程cheng度du通tong過guo各ge種zhong時shi間jian延yan遲chi來lai實shi現xian的de。隨sui著zhe過guo載zai情qing況kuang的de加jia重zhong
，延yan遲chi會hui隨sui之zhi縮suo短duan。過guo載zai保bao護hu可ke以yi用yong延yan遲chi或huo慢man速su保bao險xian絲si來lai實shi現xian。

過guo電dian壓ya情qing況kuang會hui導dao致zhi係xi統tong運yun行xing不bu穩wen定ding

，還hai可ke能neng導dao致zhi產chan生sheng過guo多duo熱re量liang
，增zeng大da火huo災zai風feng險xian。過guo電dian壓ya也ye會hui給gei係xi統tong用yong戶hu或huo操cao作zuo員yuan帶dai來lai直zhi接jie危wei險xian。與yu過guo電dian流liu一yi樣yang，過guo壓ya保bao護hu也ye需xu要yao快kuai速su動dong作zuo，切qie斷duan電dian源yuan。

為確保運行安全
、穩定，有些應用受還益於除基本保護功能以外的其他保護功能，具體包括可調級別的過壓和過流保護、啟動湧流控製
、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 實現了更廣泛的保護功能和更高的控製水平（圖 1）。除高速短路保護外，eFuse 還提供精確的過壓箝位、可調過流保護、可調電壓和電流壓擺率控製，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內置反向電流阻斷功能。

圖 1：eFuse 可以取代傳統保險絲或 PPTC 設備，並具有更多的保護功能和更高的控製水平。（圖片來源：Toshiba）

eFuse 性能的關鍵因素之一是內部功率 MOSFET，其“導通”電阻通常在毫歐 (mΩ) 範圍內，並能處理高輸出電流（圖 2）。正常工作期間，功率 MOSFET 的極低導通電阻確保 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
，而當係統恢複正常時
，MOSFET 則用來控製浪湧電流。

圖 2：低導通電阻功率 MOSFET（頂部中心）是 eFuse 實現快速動作和受控啟動能力的關鍵。（圖片來源：Toshiba）

除了功率 MOSFET 之外
，eFuse 的有源性質也有助於實現眾多的性能優勢（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，從而增加了其反應時間。另一方麵，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 納秒即可將電流降至接近零，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係統應力

，從而增強了穩健性。由於 eFuse 電子保險絲不會被短路破壞
，因此可以多次使用。

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。（表格來源：Toshiba）

與作為一次性設備的傳統保險絲相比，eFuse 有助於降低維護成本
，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行
，後者是在故障消除後被施加外部信號時恢複。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

選擇合適的 eFuse 通常要從應用的電源軌開始。對於 5 至 12 伏電源軌，TCKE8xx係列 eFuse是不錯的選擇。該係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 表麵貼裝封裝。（圖片來源：Toshiba）

對於設計者來說，TCKE8xx 係列提高了靈活性
，包括由外部電阻設置調節過流值、由外部電容設置調節壓擺率控製

，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 的控製引腳。

設計者還可以選擇三種不同的過壓鉗位：用於 5 V 係統的 6.04 V 鉗位（例如 TCKE805NL, RF）
，用於 12 V 係統的 15.1 V鉗位（包括 TCKE812NL, RF），以及無鉗位電壓（例如 TCKE800NL, RF）（圖 4）。根據不同的型號，過壓保護分為自動重試和鉗位兩種方式
，鉗位水平的設定精度為 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℃ 時將其斷開，從而保護 IC 免受超溫影響。具有自動恢複熱保護的型號在溫度下降 20°C 時重新啟動。

圖 4：TCKE8xx 係列電子保險絲包括多種型號，鉗位電壓為 6.04 V 的 TCKE805 適用於 5 V 係統，鉗位電壓為 15.1 V 的 TCKE812 適用於 12 V 係統
，而 TCKE800 則沒有鉗位電壓。（圖片來源：Toshiba）

為確保穩定運行，這些 eFuse 具有供設計者在啟動時設置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並使 eFuse 跳閘
，從而導致運行不穩定。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：設計者可以設置電壓和電流的啟動斜坡，以確保eFuse 穩定運行。（圖片來源：Toshiba）

根據應用要求
，設計者可以添加一個外部 N 溝道功率 MOS，用於阻斷反向電流
；添加一個瞬態電壓抑製 (TVS) 二極管，用於輸入瞬態電壓保護；添加一個肖特基勢壘二極管 (SBD)，用於 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 引腳控製。

在電源總線上會出現超過 eFuse 最大額定值的瞬時電壓的係統中
，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 和其他設備以及 eFuse 本身。Toshiba 推薦將 SSM6K513NU, LF 作為外部 MOSFET
，DF2S23P2CTC, L3F 作為 TVS 二極管，而 CUHS20S30, H3F 作為 SBD。

圖 6：TCKE8xx 係列 eFuse 的典型應用顯示了用於輸入瞬態電壓保護的可選 TVS、用於輸出引腳負電壓尖峰保護的 SBD 以及用於阻斷反向電流的外部 MOSFET。（圖片來源：Toshiba）

內置反向電流阻斷 MOSFET 的 eFuse

對於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內部 MOSFET 的 TCKE712BNL, RF eFuse（圖 7）。第二個內部 MOSFET 沒有任何性能損失；兩個 MOSFET 的合並導通電阻隻有 53 mΩ，與使用外部阻斷 MOSFET 時差不多。

圖 7：TCKE712BNL, RF eFuse 包括兩個 MOSFET（頂部中間），可實現反向電流阻斷

，無需外部 MOSFET。（圖片來源：Toshiba）

與 TCKE8xx 係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。為了支持這種可能的輸入電壓範圍，該器件有一個過壓保護 (OVP) 引腳
，使設計者能夠設置過壓保護水平，以適應特定的係統需求。此外，TCKE712BNL還增加了一個 FLAG 引腳，用於提供開漏信號輸出
，表明存在故障狀況。

結語

確保電子係統的電路和用戶保護功能至關重要，在目前設備激增、故gu障zhang可ke能neng性xing增zeng加jia的de情qing況kuang下xia尤you其qi如ru此ci。同tong時shi，設she計ji者zhe必bi須xu將jiang成cheng本ben和he封feng裝zhuang降jiang到dao最zui小xiao，同tong時shi還hai要yao具ju有you最zui大da的de保bao護hu靈ling活huo性xing，滿man足zu適shi當dang的de保bao護hu標biao準zhun。

eFuse具有超快的動作速度、出色的精確性、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，而且還具有多種內置功能，可大大簡化電路和用戶保護的設計工作。

(作者：Jacob Beningo，來源：得捷電子DigiKey微信公眾號)

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