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(shí)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(shí),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(gè)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(shí)間和成本。此外,這種工作機(jī)理讓eFuse IC在過流檢測(cè)精度以及“熔斷”時(shí)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(gè)“想不到”。
圖2:TCKE8xx系列eFuse IC系統(tǒng)框圖(圖源:Toshiba)
第二個(gè)“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(shí),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(jì),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(shí),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(jì)的便攜式應(yīng)用,如工業(yè)應(yīng)用、家用電器、辦公自動(dòng)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(huì)好奇,上述如此豐富的電路保護(hù)功能,是如何在一個(gè)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(cuò)誤而發(fā)生短路時(shí)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(shí)(也稱為“快速跳閘”或“短路跳閘”),將被判斷為短路,電流會(huì)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(shí)理想狀態(tài)下的仿真波形。這一特性對(duì)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?;蚨搪范蝗辉黾訒r(shí),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(jí)集成電路的擊穿電壓范圍內(nèi),這樣可以防止系統(tǒng)瞬時(shí)斷電,同時(shí)保護(hù)設(shè)備不會(huì)因?yàn)榘l(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(duì)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(jì)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(jí)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(huì)被抑制,不會(huì)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(jí)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(shí),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(huì)越大。如果該電流過大,過電流保護(hù)電路可能會(huì)出現(xiàn)故障,使其無法啟動(dòng),或致使輸出電壓會(huì)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(jiǎn)化抑制浪涌電流的電路設(shè)計(jì)。
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(zhǎng)時(shí)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(shí),器件可以恢復(fù)工作。eFuse IC在不同的型號(hào)中提供自動(dòng)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(jì)需要進(jìn)行選擇:
自動(dòng)重試恢復(fù)型(TCKE805NA):會(huì)在溫度下降時(shí)自動(dòng)恢復(fù)線路。
鎖存型(TCKE805NL):通過外部信號(hào)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(shí)。eFuse IC TCKE8xx本身內(nèi)置了N溝道MOSFET,如果與另一個(gè)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(shí),可以防止反向電流流動(dòng),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(duì)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(shí),無需對(duì)后級(jí)電路中的IC(如圖10中的PMIC和MCU)進(jìn)行單一故障測(cè)試,能夠幫助用戶在設(shè)備量產(chǎn)的啟動(dòng)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(gè)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(gè)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(yàn)eFuse IC的強(qiáng)大功能,Toshiba提供了一個(gè)完整的參考設(shè)計(jì)(如圖11)。
圖11:eFuse IC參考設(shè)計(jì)(圖源:Toshiba)
該參考設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)器件的評(píng)估和應(yīng)用開發(fā)。
圖12:eFuse IC參考設(shè)計(jì)應(yīng)用框圖(圖源:Toshiba)
熔斷器(保險(xiǎn)絲)這個(gè)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(shí)到了什么才是顛覆傳統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì),它以一種全新的設(shè)計(jì)思路,為我們習(xí)以為常的保險(xiǎn)絲賦予了新的內(nèi)涵,讓人不由得贊嘆:“原來保險(xiǎn)絲,還可以這么設(shè)計(jì)……”