電子熔斷器受到大電流應用青睞

作為一名謹慎的模擬工程師，我一直喜歡傳統的熱熔斷器，而對於電子熔斷器（簡寫為e-fuse或eFuse），由於其使用了有源器件而有所懷疑。畢竟，在可靠性方面，越簡單越好，沒有什麼在功能上比熱熔斷器更簡單的了。我並不是要在技術上貶損它們，相反，它們實際上包含了先進的科技材料，只不過它們的功能很簡單。VbQednc

面對現實吧：標準熔斷器用來做一件事情，做得很好，並且是在一組給定的規格內以完全定義、永遠不變的方式來做。由於它們不存在鉤子之類的部件，因此不會弄亂（圖1）。只要指定了合適的熔斷器參數——額定電流、延時、材料、物理尺寸——就不會弄錯。我知道，每個人都有可能遇到熔斷器沒有按預期動作的情況，但那畢竟非常罕見。英語中還有個有趣的怪事是：「fuse」（熔斷器）會在過電流下斷開，而「to fuse」（融合）則是指將兩種材料結合在一起。VbQednc

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圖1：熱熔斷器有三種常用的原理圖符號；這種兩端無源元件的原理圖和功能都很簡單，這是其主要優點。圖片來源：quora.comVbQednc

然而，熱熔斷器有幾個缺點，首先就是反應時間。取決於與閾值相比的過電流值，其發生反應和斷開電路可能需要數十毫秒到數十秒的時間。在當今的低電壓設計中，過電流通常是個適中的值，因此熔斷器的反應時間可能太慢，而無法保護敏感電路。同樣，標準熔斷器在斷開後必須進行物理更換，這在許多（但不是全部）應用中都是個不利因素。VbQednc

從概念上講，電子熔斷器是種簡單的電路；由於它可以測量電流，而不依賴於加熱和隨之而來的串聯元件的開路，因此具有獨特的優勢，為限制電流和切斷電流提供了另一種方法。它由幾個模擬器件構成：一個精密的電流檢測電阻器；一個具有精確比例電阻的放大器，用於捕獲和「增大」電阻器兩端的電壓；一個比較器電路，用來在預設值處進行「開關」；以及一個MOSFET，用來提供/斷開被監控線路中的電流路徑（圖2）。VbQednc

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圖2：典型電子熔斷器的基本框圖，由此可知其非常簡單、易於連接。（圖片來源：德州儀器）VbQednc

電路功能相當簡單。通常，選擇電阻器的值時，應使其在最大電流下的壓降在50至100mV之間。電子熔斷器連接在電源軌（或電源）和要保護的負載之間。要監視的電流流經電阻並在其兩端產生電壓，電流檢測放大器（CSA）檢測該電壓並對其進行縮放。VbQednc

儘管可以通過單獨的元器件構建電子熔斷器，但大多數用戶都選擇完整的基於IC的電子熔斷器，其中集成了包括FET在內的必要電路（圖3），有些甚至還具有內部檢測電阻。其他基於IC的電子熔斷器還包括其他功能，例如用戶可編程的欠壓鎖定、過壓鉗位和自動重試，以及可以通過外部元件設置的啟動時間。最後一項功能對於在啟動和熱插拔操作期間控制浪湧電流很有用，因此它們在這種應用中得到了廣泛採用。VbQednc

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圖3：具有附加功能的電子熔斷器通過簡單的外部無源元件進行編程，其他電子熔斷器還具有其他功能。（圖片來源：德州儀器）VbQednc

我對電子熔斷器的最初感覺是，它們可以在儘可能低的電流/電壓電路中發揮作用。我不確定它們是否適合需要美國保險商實驗室（UL）和國際電工委員會（IEC）認證的更高範圍的應用，而熱熔斷器對於這些應用卻是一種公認的保護手段。VbQednc

這就是我對德州儀器（TI）發布的筆記「eFuse: Safety Certification and why it Matters」（eFuse：安全認證及其重要性）感興趣的原因。這個筆記討論了電子熔斷器如何能夠符合UL/IEC認證流程，以及為什麼它們在合適的條件下適用。這些認證要求是如此複雜，有許多條款、任務、例外和規則，以至於任何博學的建議都受到歡迎，並且任何元器件如果能藉此跳過過程中的一步都是一件好事。VbQednc

這個簡要筆記解釋了電子熔斷器在這些安規方面的細節，同時也讓我想起一個很容易被忽略的要點：熔斷器可以防止過電流情況及其對系統和人員造成的風險。即使我們會不知不覺地將「危險」與120/240V的市電電壓及其可能傳輸的大量電流聯繫在一起，但它們也不是用於高壓保護。這一TI筆記列出了各種正規的電子熔斷器，最高規格達到6A時4.5至60V——顯然不是市電電壓，但仍然是相當大的電流和兩位數的電壓。防止高壓事件並不是熔斷器的任務，而是壓敏電阻（MOV）、火花間隙和其他器件的作用。VbQednc

現實情況是，電子熔斷器與熱熔斷器相比有明顯的不同，並且它們通常都是有益的：精確限流、遠快的反應時間，以及故障排除後可自我修復和恢復連接（取決於電子熔斷器型號）。在許多設計情況下，有必要認真考慮使用電子熔斷器代替傳統的熱敏器件。VbQednc

但是，電子熔斷器遠非簡單、極其可靠、功能有限的熱熔斷器所能比。儘管很簡單，但它是一種有源器件。也許某些設計需要同時使用電子熔斷器和熱熔斷器來獲得最大信心，這是一種小心謹慎的方法。VbQednc

但是，這是否表明設計人員做事小心謹慎，還是設計人員對故障分析缺乏信心，而後採取的保護方案？您對在大電流應用中使用電子熔斷器有何看法？VbQednc

（原文刊登於EDN美國版，參考連結：E-fuses: warming up to higher-current applications）VbQednc

本文為《電子技術設計》2020年8月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。免費雜誌訂閱申請點擊這裡。VbQednc