【導(dǎo)讀】保險絲，又被稱為“熔斷器”，是一種人們非常熟悉的電子元器件，即使是電子設(shè)計“小白”，也知道如果某個電器不工作了，要先檢查一下保險絲是否安好。
保險絲，又被稱為“熔斷器”，是一種人們非常熟悉的電子元器件，即使是電子設(shè)計“小白”，也知道如果某個電器不工作了，要先檢查一下保險絲是否安好。它的原理是當(dāng)通過保險絲的電流超過規(guī)定值時，其本身產(chǎn)生的熱量會將構(gòu)成保險絲的金屬熔斷，切斷電路，為后面的電路或人身安全提供保護(hù)，是一種應(yīng)用非常廣泛的過流保護(hù)元器件。
可現(xiàn)實(shí)中往往越是熟悉的，越容易被忽視，因此保險絲的身影常常是在“聚光燈”之外。不過今天我們秉承“發(fā)現(xiàn)電子元器件新物種”的好奇心，為大家尋找到了一款“不一樣”的保險絲，它顛覆了我們對于傳統(tǒng)保險絲的認(rèn)知，在3.00×3.00mm的小身材中融聚了諸多“想不到”……這就是Toshiba新近推出的TCKE8xx系列電子熔斷器IC（eFuse IC）。這款器件究竟有何與眾不同之處，且聽我們慢慢道來。
圖1：TCKE8xx系列eFuse IC（圖源：Toshiba）
不一樣的熔斷器
先從工作原理上來講。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)理是通過自身物理上的不可逆的變化（熔化）來切斷電路。這類熔斷器的缺點(diǎn)很明顯：分?jǐn)嚯娏鞑淮_定，熔斷時間慢，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)電流過大時，eFuse IC是通過關(guān)閉內(nèi)置MOSFET來切斷電流路徑，起到保護(hù)的作用。這個過程中，器件內(nèi)部并沒有不可逆的物理損壞，這也就意味著在每次分?jǐn)嚯娐饭ぷ骱?，它還可以經(jīng)過重置來重復(fù)使用，而無需更換，從而有效降低系統(tǒng)維護(hù)時間和成本。此外，這種工作機(jī)理讓eFuse IC在過流檢測精度以及“熔斷”時間上，也都超過了傳統(tǒng)物理熔斷器的表現(xiàn)。這可以說是eFuse IC帶給我們的第一個“想不到”。
圖2：TCKE8xx系列eFuse IC系統(tǒng)框圖（圖源：Toshiba）
第二個“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，通過將電流和電壓鉗制在額定值上，既能防止發(fā)生過流和過壓，保護(hù)電路，又能維持電路的供電。
提供過熱保護(hù)和短路保護(hù)功能，在發(fā)生嚴(yán)重過熱或意外短路現(xiàn)象時，能立即切斷電源，起到保護(hù)電路的作用。
通過與外部的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，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，產(chǎn)品符合IEC/UL 62368-1和UL 2367等國際安全標(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)計的便攜式應(yīng)用，如工業(yè)應(yīng)用、家用電器、辦公自動化設(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
大家可能會好奇，上述如此豐富的電路保護(hù)功能，是如何在一個緊湊的IC中實(shí)現(xiàn)的？我們下面做詳細(xì)地說明。
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)載因某些錯誤而發(fā)生短路時電流過大。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)到過電流極限（ILIMIT）的1.6倍時（也稱為“快速跳閘”或“短路跳閘”），將被判斷為短路，電流會在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)短路情況時理想狀態(tài)下的仿真波形。這一特性對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. 高精度過電流保護(hù)
eFuse IC的過電流保護(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，將輸出電流保持在不超過過電流上限值（ILIMIT）的功能，也將輸出電壓控制在后級集成電路的擊穿電壓范圍內(nèi)，這樣可以防止系統(tǒng)瞬時斷電，同時保護(hù)設(shè)備不會因為發(fā)熱而老化或損壞。eFuse IC不僅可以在很寬的溫度范圍內(nèi)提供高精度過流鉗位（如圖5），還可以通過改變外部電阻對過電流保護(hù)功能進(jìn)行設(shè)置，并可以通過雙過電流保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)有力的保護(hù)，給設(shè)計帶來了很大的靈活性。
圖5：eFuse IC高精度過流保護(hù)特性（圖源：Toshiba）
3. 高精度過電壓鉗位功能
除了過流鉗位，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IC施加過大電壓。以圖6中的TCKE805為例，即使輸入電壓增加，輸出電壓也會被抑制，不會超過大約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IC的耐受電壓范圍內(nèi)。
圖6：eFuse IC高精度過壓保護(hù)特性（圖源：Toshiba）
4. 抑制浪涌電流的功能
當(dāng)輸出端接通時，充電電流流過輸出電容器，輸出電容越大，輸入電壓越高，浪涌電流也會越大。如果該電流過大，過電流保護(hù)電路可能會出現(xiàn)故障，使其無法啟動，或致使輸出電壓會過高。eFuse IC可以用較小的外部電容來調(diào)節(jié)輸出電壓的壓擺率，從而簡化抑制浪涌電流的電路設(shè)計。
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中的過電流或過電壓狀況持續(xù)很長時間，使得IC溫度超過設(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，器件可以恢復(fù)工作。eFuse IC在不同的型號中提供自動重試（Auto-Retry）和鎖存型（Latch）兩種恢復(fù)工作類型，讓用戶根據(jù)實(shí)際設(shè)計需要進(jìn)行選擇：
自動重試恢復(fù)型（TCKE805NA）：會在溫度下降時自動恢復(fù)線路。
鎖存型（TCKE805NL）：通過外部信號進(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。eFuse IC TCKE8xx本身內(nèi)置了N溝道MOSFET，如果與另一個外置的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，可以防止反向電流流動，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獲得了針對消費(fèi)類和電信設(shè)備安全的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC62368-1的認(rèn)證，這讓開發(fā)者在使用eFuse IC時，無需對后級電路中的IC（如圖10中的PMIC和MCU）進(jìn)行單一故障測試，能夠幫助用戶在設(shè)備量產(chǎn)的啟動階段，便捷地獲得相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，并在設(shè)備使用中通過更換傳統(tǒng)熔斷器降低維護(hù)成本。
圖10：eFuse IC通過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電路保護(hù)系統(tǒng)，再與需要保護(hù)的電路相連。為了開發(fā)者能夠快速上手體驗eFuse IC的強(qiáng)大功能，Toshiba提供了一個完整的參考設(shè)計（如圖11）。
圖11：eFuse IC參考設(shè)計（圖源：Toshiba）
該參考設(shè)計的核心是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)計完整的電路圖文件、BOM清單，以及其他技術(shù)文檔，方便用戶對器件的評估和應(yīng)用開發(fā)。
圖12：eFuse IC參考設(shè)計應(yīng)用框圖（圖源：Toshiba）
熔斷器（保險絲）這個元器件，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身上我們卻見識到了什么才是顛覆傳統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計，它以一種全新的設(shè)計思路，為我們習(xí)以為常的保險絲賦予了新的內(nèi)涵，讓人不由得贊嘆：“原來保險絲，還可以這么設(shè)計……”
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