颠覆传统!原来“保险丝”还可以这样设计~

保险丝,又被称为“熔断器”,是一种人们非常熟悉的电子元器件,即使是电子设计“小白”,也知道如果某个电器不工作了,要先检查一下保险丝是否安好。它的原理是当通过保险丝的电流超过规定值时,其本身产生的热量会将构成保险丝的金属熔断,切断电路,为后面的电路或人身安全提供保护,是一种应用非常广泛的过流保护元器件。

可现实中往往越是熟悉的,越容易被忽视,因此保险丝的身影常常是在“聚光灯”之外。不过今天我们秉承“发现电子元器件新物种”的好奇心,为大家寻找到了一款“不一样”的保险丝,它颠覆了我们对于传统保险丝的认知,在3.00×3.00mm的小身材中融聚了诸多“想不到”……这就是Toshiba新近推出的TCKE8xx系列电子熔断器IC(eFuse IC)。这款器件究竟有何与众不同之处,且听我们慢慢道来。

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图1:TCKE8xx系列eFuse IC(图源:Toshiba)

不一样的熔断器

先从工作原理上来讲。传统的熔断器——比如玻璃管熔断器和芯片熔断器等——其工作机理是通过自身物理上的不可逆的变化(熔化)来切断电路。这类熔断器的缺点很明显:分断电流不确定,熔断时间慢,熔断器每次工作——即被电流破坏——后都需要进行更换。

而所谓电子熔断器eFuse IC,它的工作机理与传统熔断器不同——当电流过大时,eFuse IC是通过关闭内置MOSFET来切断电流路径,起到保护的作用。这个过程中,器件内部并没有不可逆的物理损坏,这也就意味着在每次分断电路工作后,它还可以经过重置来重复使用,而无需更换,从而有效降低系统维护时间和成本。此外,这种工作机理让eFuse IC在过流检测精度以及“熔断”时间上,也都超过了传统物理熔断器的表现。这可以说是eFuse IC带给我们的第一个“想不到”。

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图2:TCKE8xx系列eFuse IC系统框图(图源:Toshiba)

第二个“想不到”的地方是,除了传统意义上的“熔断”保护,eFuse IC还提供了其他一系列电路保护功能,它们包括:

  • 提供电流钳位和电压钳位模式,通过将电流和电压钳制在额定值上,既能防止发生过流和过压,保护电路,又能维持电路的供电。
  • 提供过热保护和短路保护功能,在发生严重过热或意外短路现象时,能立即切断电源,起到保护电路的作用。
  • 通过与外部的MOSFET配合使用,eFuse IC还可提供反向电流阻断功能。
  • 可调节浪涌电流压摆率,有效防止浪涌电流冲击。

上述这些功能意味着,与使用分立式元器件件的传统电路保护方案相比,使用高集成度的eFuse IC能避免复杂的线路设计,仅用较少数量的元器件件和较小占板面积,即可实现更丰富的电路保护功能。同时,产品符合IEC/UL 62368-1和UL 2367等国际安全标准规定的要求。

eFuse IC的上述特性,使其特别适合于各种需要高密度电路板设计的便携式应用,如工业应用、家用电器、办公自动化设备和电池供电物联网传感器设备等。

eFuse IC电子熔断器特性

  • 过流限制精度:±11% @Ta=-40至+85℃,ILIM=4.38A
  • 超高速短路保护:tFastOffDly=150ns(典型值)@Ta=-40至+85℃
  • 高输出电流:IOUT=0至5.0A
  • 薄型紧凑封装:3.00×3.00mm(典型值),t=0.75mm(最大值)

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图3:eFuse IC丰富的电路保护特性与典型应用(图源:Toshiba)

eFuse IC特性详解

大家可能会好奇,上述如此丰富的电路保护功能,是如何在一个紧凑的IC中实现的?我们下面做详细地说明。

1. 快速短路保护

短路保护功能是为了防止电源线或负载因某些错误而发生短路时电流过大。由于TCKE8xx系列eFuse IC采用了超高速短路保护技术,在短路发生后,当输出电流达到过电流极限(ILIMIT)的1.6倍时(也称为“快速跳闸”或“短路跳闸”),将被判断为短路,电流会在150ns(典型值)内下降至接近零。图4中显示了当eFuse IC以12V电源供电,突发短路情况时理想状态下的仿真波形。这一特性对于确保电子线路和设备的可靠性和稳健性非常必要。

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图4:eFuse IC快速短路保护特性(图源:Toshiba)

2. 高精度过电流保护

eFuse IC的过电流保护功能是指当输出电流因负载异常或短路而突然增加时,将输出电流保持在不超过过电流上限值(ILIMIT)的功能,也将输出电压控制在后级集成电路的击穿电压范围内,这样可以防止系统瞬时断电,同时保护设备不会因为发热而老化或损坏。eFuse IC不仅可以在很宽的温度范围内提供高精度过流钳位(如图5),还可以通过改变外部电阻对过电流保护功能进行设置,并可以通过双过电流保护功能实现强有力的保护,给设计带来了很大的灵活性。

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图5:eFuse IC高精度过流保护特性(图源:Toshiba)

3. 高精度过电压钳位功能

除了过流钳位,eFuse IC还提供高精度电压钳位功能,将输出电压限制在规定输出电压范围内,防止向后续级IC施加过大电压。以图6中的TCKE805为例,即使输入电压增加,输出电压也会被抑制,不会超过大约6.0V(典型值)。因此,即使输入电压瞬间变大,电压钳位功能也能将输出电压保持在后级IC的耐受电压范围内。

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图6:eFuse IC高精度过压保护特性(图源:Toshiba)

4. 抑制浪涌电流的功能

当输出端接通时,充电电流流过输出电容器,输出电容越大,输入电压越高,浪涌电流也会越大。如果该电流过大,过电流保护电路可能会出现故障,使其无法启动,或致使输出电压会过高。eFuse IC可以用较小的外部电容来调节输出电压的压摆率,从而简化抑制浪涌电流的电路设计。

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图7:eFuse IC抑制浪涌电流特性(图源:Toshiba)

5. 热关断功能和恢复工作

当eFuse IC中的过电流或过电压状况持续很长时间,使得IC温度超过设定温度,将触发热关断功能,关闭输出以防止器件损坏。当eFuse IC内部温度下降时,器件可以恢复工作。eFuse IC在不同的型号中提供自动重试(Auto-Retry)和锁存型(Latch)两种恢复工作类型,让用户根据实际设计需要进行选择:

  • 自动重试恢复型(TCKE805NA):会在温度下降时自动恢复线路。
  • 锁存型(TCKE805NL):通过外部信号进行恢复。

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图8:eFuse IC热关断功能和恢复工作(图源:Toshiba)

6. 反向电流阻断功能

反向电流阻断功能是防止电流从输出端流向输入端的功能,例如当输出电压高于输入电压时。eFuse IC TCKE8xx本身内置了N沟道MOSFET,如果与另一个外置的N沟道MOSFET连接配合使用,并且栅极电压由EFET端子提供,当输入电压为0V(eFuse IC关闭)且输出端子侧的电压较高时,可以防止反向电流流动,起到阻断反向电流的作用。

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图9:eFuse IC反向电流阻断功能(图源:Toshiba)

7. IEC 62368-1安全标准认证

最后值得一提的是,eFuse IC获得了针对消费类和电信设备安全的国际标准IEC62368-1的认证,这让开发者在使用eFuse IC时,无需对后级电路中的IC(如图10中的PMIC和MCU)进行单一故障测试,能够帮助用户在设备量产的启动阶段,便捷地获得相关安全标准认证,并在设备使用中通过更换传统熔断器降低维护成本。

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图10:eFuse IC通过IEC 62368-1安全标准认证(图源:Toshiba)

参考方案

当然,作为一个IC,eFuse IC不能像传统的熔断器那样,直接接插在电源线上,而是要与外围的电子元器件共同组成一个电路保护系统,再与需要保护的电路相连。为了开发者能够快速上手体验eFuse IC的强大功能,Toshiba提供了一个完整的参考设计(如图11)。

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图11:eFuse IC参考设计(图源:Toshiba)

该参考设计的核心是eFuse IC系列中的TCKE805NA/NL,其旁边的另一颗器件是Toshiba的SSM6K513NU N沟道MOSFET,与eFuse IC搭配使用,实现反向电流阻断功能。Toshiba还提供了该参考设计完整的电路图文件、BOM清单,以及其他技术文档,方便用户对器件的评估和应用开发。

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图12:eFuse IC参考设计应用框图(图源:Toshiba)

熔断器(保险丝)这个元器件,看上去不起眼,原理也不复杂,似乎给元器件厂商进一步发挥的空间有限,但在eFuse IC身上我们却见识到了什么才是颠覆传统的创新设计,它以一种全新的设计思路,为我们习以为常的保险丝赋予了新的内涵,让人不由得赞叹:“原来保险丝,还可以这么设计……”

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