【導讀】熱保險絲作為一種基本的電路保護器件，已經成功使用了150多年。熱保險絲有效、可靠、yiyong
，juyougezhongbutongdeshuzhihebanben，nenggoumanzubutongdeshejimubiao。raner
，duiyuxunqiuyijikuaidesuduqieduandianliudeshejirenyuanlaishuo
，rebaoxiansibukebimiandequedianjiushiqizifuweinengli，yijizaixiangduijiaodidedianliuxiadegongzuonengli。duiyuzhexieshejirenyuanlaishuo，dianzibaoxiansi（通常用eFuse或者e-Fuse表示）是一種很好的解決方案，有時還可以取代熱保險絲，但通常是對熱保險絲功能的補充。

eFuse基於一個簡單概念，即通過測量已知電阻器上的電壓來檢測電流，然後在電流超過設計限值時

，通過場效應晶體管 (FET) 切斷電流。eFuse具有熱保險絲無法實現特性、靈活性和功能。

本文將介紹電子保險絲的工作原理。然後，探討有源電路保險絲的特點、附加功能及如何有效使用。同時，本文還將以Texas Instruments、Toshiba Electronic Devices and Storage
、STMicroelectronics的解決方案為例介紹電子保險絲及其有效使用情況。

eFuses如何工作？

傳統熱保險絲的工作原理簡單可靠，為人熟知：當通過易熔連接部分的電流超過設計值時
，該元件就會被充分加熱而熔化。這樣
，電流路徑被切斷，電流歸零。根據保險絲的額定值、leixingyijiguodianliudedaxiao
，rebaoxiansikezaijibaihaomiaodaojimiaoneizuochuxiangyingbingduankaidianliutonglu。dangran，hesuoyoudeyouyuanhewuyuanyuanqijianyiyang
，duiyuzhegeyuanlijiandandechunwuyuanqijianlaishuo，yehuiyouhenduobianhua、細節和遮蔽運行可供選擇。

相比之下，電子保險絲的工作原理則截然不同。電子保險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：負載電流通過FET和一個檢測電阻器，並通過該檢測電阻器上的電壓進行監控。當該電壓超過預設值時

，控製邏輯會斷開FET並切斷電流路徑（圖1）。FET與電源線和負載串聯
，必須具有非常低的導通電阻，因此不會引起過大的電流電阻 (IR) 降或功率損失。

圖1：在電子保險絲中，當從電源到負載的電流通過檢測電阻時，通過該電阻上的電壓進行監測；當測得的電壓超過設定值時
，控製邏輯將FET斷開，以阻斷電流流向負載。（圖片來源：Texas Instruments）

看起來，eFuse隻是經典無源熱保險絲的一個更複雜的有源版本。雖然如此
，電子保險絲也有一些獨特的屬性：

●    速度：反應快，其斷開反應時間為微秒級，有些設計能達到納秒級。這一屬性對於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：電子保險絲不僅可以采用低電流工作設計（大約100毫安 (mA) 或更小），而且還可以在很低的個位數電壓下正常工作。在這些水平下

，熱保險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。

●    可複位：根據具體型號

，eFuse可選擇在激活後保持斷開（稱為閂鎖模式）
，或在當前故障消失後恢複正常工作（自動重啟模式）。後一種設置在沒有"硬"故(gu)障(zhang)的(de)瞬(shun)態(tai)浪(lang)湧(yong)電(dian)流(liu)情(qing)況(kuang)下(xia)特(te)別(bie)有(you)用(yong)
，例(li)如(ru)當(dang)板(ban)子(zi)插(cha)入(ru)帶(dai)電(dian)總(zong)線(xian)時(shi)就(jiu)會(hui)出(chu)現(xian)這(zhe)種(zhong)情(qing)況(kuang)。在(zai)更(geng)換(huan)保(bao)險(xian)絲(si)困(kun)難(nan)或(huo)成(cheng)本(ben)較(jiao)高(gao)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)，也(ye)很(hen)有(you)用(yong)。

●    反向電流保護：電dian子zi保bao險xian絲si也ye可ke以yi提ti供gong反fan向xiang電dian流liu保bao護hu，這zhe是shi熱re熔rong斷duan器qi無wu法fa做zuo到dao的de。當dang係xi統tong輸shu出chu電dian壓ya高gao於yu其qi輸shu入ru的de電dian壓ya時shi，就jiu會hui出chu現xian反fan向xiang電dian流liu。例li如ru，在zai一yi組zu冗rong餘yu電dian源yuan並bing聯lian時shi就jiu會hui出chu現xian這zhe種zhong情qing況kuang。

●    過壓保護：借助一些額外的電路，eFuse還可以提供過壓保護
，以防止浪湧或感應跳閘
，即當輸入電壓超過設定的過壓跳閘點時
，切斷FET並在過壓條件持續期間保持在斷開狀態。

●    反極性保護：eFuse還可以提供反極性保護，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。

●    轉換速率遞增：一些先進的電子保險絲還可以通過外部控製或使用固定元件來控製無源元件FET的導通/關斷之間的切換，從而提供規定的斷電/上電電流轉換速率。

因此

，eFusesshiyizhongjijuxiyinlidedianliukongzhijiejuefangan。suiranzaimouxieqingkuangxiazhexieqijiankeyidaitirebaoxiansi，danliangzhewangwangshichengduidapeishiyongde。zaizhezhongbujuzhong，eFuse用於為子電路或PC板提供局部快速響應保護，例如在熱插拔係統
、汽車應用、可編程邏輯控製器 (PLC) 和電池充放電管理中；互補式熱保險絲可提供係統級保護，以防止需要硬性永久關斷的大麵積嚴重故障。

zheyangyilai
，shejizhejiunengzuodaoliangquanqimei，jidianzibaoxiansidesuoyougongnengjiashangrebaoxiansiqingximingquededongzuo。zaijishushangwuxuzuorenhequshejikeshixianzheyimubiao，erqieyebuhuiyourenhequexian。dangran，yurenheshejijueceyiyang
，yehuikaolvyixiequanheng。zaizhezhongqingkuangxia，zhanyongkongjiandezengjiahecailiaoqingdan (BOM) 會略大。

選擇eFuse：功能和應用

選擇電子保險絲時需要考慮一些基本參數。很顯然，首要考慮因素是保險絲動作時的電流水平。電流水平通常為從1安培(A)以下到10A左zuo右you
，以yi及ji保bao險xian絲si能neng夠gou耐nai受shou的de最zui高gao端duan子zi電dian壓ya。對dui於yu一yi些xie電dian子zi保bao險xian絲si來lai說shuo，電dian流liu水shui平ping是shi固gu定ding的de，而er對dui於yu其qi他ta器qi件jian來lai說shuo，其qi電dian流liu水shui平ping可ke由you用yong戶hu通tong過guo外wai部bu電dian阻zu器qi設she置zhi。其qi他ta選xuan擇ze因yin素su包bao括kuo響xiang應ying速su度du、靜態電流、尺寸（封裝）以及所需外部輔助元器件的數量和類型（如有）。此外，設計人員還必須考慮不同的電子保險絲型號可能具有的任何附加特性和功能。

例如

，PLC是一種電子保險絲在其不同子電路中都非常有用的應用，因為這類電路易於發生傳感器I/O和電源錯接。此外，在連接導線或熱插拔電路板時會出現電流浪湧。例如，Texas Instruments的TPS26620電子保險絲通常用於這類24V應用中。如圖2所示，其設定的電流限值為500mA。該保險絲的工作電壓為4.5V至60V
，最大電流為80mA
，具有可編程的電流限值、過壓、欠壓和反極性保護功能。該IC還可以控製浪湧電流，並為PLC I/O模塊和傳感器電源提供強大的反向電流和現場誤接線保護。

圖2：圖中所示為Texas Instruments的TPS26620電子保險絲在該24V DC PLC應用中的跳閘電流設置為500mA。（圖片來源：Texas Instruments）

圖3中Toshiba TCKE805（18V
、5A電子保險絲）的時序圖顯示了某個供應商如何實現自動重啟與閂鎖模式。在自動重啟模式下（由EN/UVLO封裝引腳設定），過流保護功能通過抑製故障情況下的功耗來防止電子保險絲及負載受損。

圖3：Toshiba TCKE805 18V、5A電子保險絲采用“測試和重複循環”循序來評估恢複電流是否安全。（圖片來源：Toshiba）

如果通過外部電阻器 (RLIM) 設定的輸出電流由於負載故障或者短路而超過電流限值 (ILIM) 時，則輸出電流和輸出電壓下降
，從而限製IC和負載的功耗。當輸出電流達到預設限值並檢測到過電流時，輸出電流會被鉗製，以使流經的電流不超過ILIM。假如過電流問題在此階段未解決，則會維持這種電流鉗製狀態且電子保險絲的溫度繼續升高。

當電子保險絲的溫度達到熱關斷功能的動作溫度時
，eFuse MOSFET被bei關guan斷duan，將jiang電dian流liu徹che底di斷duan開kai。自zi動dong重zhong啟qi功gong能neng試shi圖tu通tong過guo阻zu止zhi這zhe種zhong電dian流liu來lai恢hui複fu電dian流liu流liu動dong，這zhe樣yang會hui降jiang低di溫wen度du並bing解jie除chu熱re關guan斷duan。如ru果guo溫wen度du再zai次ci升sheng高gao，則ze重zhong複fu上shang述shu動dong作zuo並bing停ting止zhi運yun行xing，直zhi到dao過guo流liu情qing況kuang解jie除chu。

相反，閂鎖模式會箝製輸出，直到通過IC的使能 (EN/UVLO) 引腳使電子保險絲複位（圖4）。

圖4：與自動重啟模式不同，Toshiba電子保險絲在閂鎖模式下隻有接收到IC使能引腳發出的指令時才會複位。（圖片來源：Toshiba）

一些電子保險絲經過專門配置後，能夠克服與電阻器上的檢測電流相關的問題
，例如IR降，此類情況會降低輸出側的電源軌電壓。例如，STMicroelectronics的3.3V STEF033AJR的最大標稱電流和FET導通電阻值分別為3.6A和40毫歐(mΩ)，這是DFN封裝版器件，而2.5A和25mΩ則是倒裝片封裝版器件。在圖5所示的傳統連接中
，在較高電流下即使通過導通電阻的電源軌中出現約15毫伏(mV)的適度IR降也可能是明顯且令人擔憂的。

圖5：在STEF033AJR的傳統接線中
，用於確定限流值的電阻器R-lim放在兩個指定的端子之間。（圖片來源：STMicroelectronics）

在傳統接線方式中，把電阻放在正壓側限位連接和輸出電壓連接 (VOUT/Source) 之間，這樣修改後就可實現對IR降進行補償的開爾文檢測布局（圖6）。

圖6：為了減少電流檢測IR降的影響，限流電阻器的負極側連接電壓輸出 (VOUT/Source)。（圖片來源：STMicroelectronics）

請注意，雖然電子保險絲是半導體器件，可在個位數電壓下工作，但並不限於這個低壓區域。例如
，Texas Instruments TPS2662x係列電子保險絲的額定工作電壓為4.5V至57V。

eFuse：自己造還是買？

原則上
，可以用幾個FET
、一個電阻器和一個電感，由分立式元件構建基本的eFuse。最初的電子保險絲就是這樣製造的
，其中電感器有兩個作用：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，一個性能穩定
、考(kao)慮(lv)了(le)元(yuan)器(qi)件(jian)特(te)征(zheng)以(yi)及(ji)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)條(tiao)件(jian)的(de)增(zeng)強(qiang)型(xing)電(dian)子(zi)保(bao)險(xian)絲(si)所(suo)需(xu)的(de)不(bu)隻(zhi)是(shi)幾(ji)個(ge)分(fen)立(li)式(shi)元(yuan)器(qi)件(jian)。即(ji)使(shi)增(zeng)加(jia)元(yuan)器(qi)件(jian)，也(ye)隻(zhi)能(neng)實(shi)現(xian)電(dian)子(zi)保(bao)險(xian)絲(si)的(de)基(ji)本(ben)功(gong)能(neng)（圖7）。

圖7：對於使用分立式元器件實現基本功能的電子保險絲，必須預見並克服其固有局限性。（圖片來源：Texas Instruments）

實際上，隨著有源和無源分立式元器件的增多，不僅器件很快就會變得笨重
，而且容易造成單個產品間的性能變化，以及與初始容差、元器件老化和溫度引起漂移等相關的問題。總之，DIY“製造”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。就實現相同的導通電阻值 (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，因為它這種解決方案會造成二極管功率耗散以及響應的電路板溫升。

●    對於分立式電路來說，很難為無源元件FET提供足夠的熱保護。因此，無法進行這種關鍵性改進，或者不得不通過大幅增加設計尺寸來提供一個合適的安全工作區 (SOA)。

●    一個全麵的分立式電路需要很多元器件和相當大的電路板空間，而實現保護電路的穩健性和可靠性也需要增加元器件。

●    雖然分立式設計中的輸出電壓轉換率可以使用電阻電容 (RC) 元件進行調節
，但這些元件的尺寸必須在仔細了解無源FET的柵極特性後才能確定。

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受限。後者可以包括上述部分或全部附加功能，如圖8電子保險絲框圖所示。此外，IC解決方案體積較小，經過充分特征化的性能更穩定，並能以更低的成本做到"安心"實施

，這是多器件解決方案無法實現的。值得注意的是，TPS26620規格書中提供了幾十張性能圖和時序圖，涵蓋了各種工作條件，這些都是分立式"製造"方式難以提供的。

圖8：全功能電子保險絲外形簡單

，掩蓋了其內部複雜性，這是分立式元器件無法實現的。（圖片來源：Texas Instruments）

購買標準電子保險絲IC而不是走DIY分立式路線的另一個關鍵原因：監管審批。許多熔斷器（熱保險絲和電子保險絲）都是用於與安全有關的功能，以防止電流過大而導致元器件過熱和可能起火，或者造成用戶傷害。

所(suo)有(you)傳(chuan)統(tong)熱(re)保(bao)險(xian)絲(si)都(dou)獲(huo)得(de)了(le)各(ge)種(zhong)監(jian)管(guan)機(ji)構(gou)和(he)標(biao)準(zhun)的(de)認(ren)可(ke)，能(neng)在(zai)使(shi)用(yong)適(shi)當(dang)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)實(shi)現(xian)故(gu)障(zhang)安(an)全(quan)型(xing)的(de)電(dian)流(liu)關(guan)斷(duan)功(gong)能(neng)。然(ran)而(er)，要(yao)想(xiang)獲(huo)得(de)同(tong)樣(yang)的(de)審(shen)批(pi)，分(fen)立(li)式(shi)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)非(fei)常(chang)困(kun)難(nan)且(qie)相(xiang)當(dang)耗(hao)時(shi)
，甚(shen)至(zhi)是(shi)不(bu)可(ke)能(neng)的(de)。

相比之下，許多電子保險絲IC已經獲批。例如，TPS2662x係列電子保險絲已獲UL 2367 認可（“特殊用途固態過流保護器”）和IEC 62368-1認證（音頻/視頻、信息和通信技術設備 - 第1部分：安全要求）。該係列還符合IEC61000-4-5（“電磁兼容性 (EMC) - 第4-5部分：測試和測量技術 - 抗浪湧測試”）。為了獲得認證
，這些電子保險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輸溫度
、大量異常和耐久性測試以及熱循環等條件下
，針對其基本作用的性能測試。

本文小結

eFuse使用有源電路而非易熔連接部分來切斷電流
，用於幫助設計人員滿足快速切斷
、zifuweihedidianliutiaojianxiakekaoyunxingdengyaoqiu。dianzibaoxiansihainengjuyougezhongbaohugongneng，yijiketiaozhuanhuanlv。yinci，zheleiqijianshigongchengshidedianluhexitongbaohuqijianbaodezhongyaobuchong。

如ru上shang所suo述shu，電dian子zi保bao險xian絲si可ke以yi取qu代dai傳chuan統tong的de熱re保bao險xian絲si，盡jin管guan在zai許xu多duo情qing況kuang下xia隻zhi是shi用yong於yu局ju部bu保bao護hu並bing采cai用yong熱re保bao險xian絲si作zuo為wei補bu充chong。與yu傳chuan統tong的de熱re保bao險xian絲si一yi樣yang，許xu多duo電dian子zi保bao險xian絲si也ye通tong過guo了le安an全quan相xiang關guan功gong能neng的de認ren證zheng，從cong而er擴kuo大da了le通tong用yong性xing和he適shi用yong性xing。

來源：DigiKey

原創：Bill Schweber  

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