如何使用 eFuse 設計小型的短路、過壓與熱保護解決方案

電子裝置在住家、辦公室與工業領域中越來越普及，提供小型、低成本、高速、可重置且可調整的電路保護需求也更添重要性，以確保使用者安全和最大的裝置運作時間。傳統保險絲作法有不精確的斷路電流和緩慢的反應時間毛病，而且往往受到保險絲更換不便的困擾。

儘管可以從頭開始設計適用的保護解決方案，但很難在可重置裝置中達到嚴格的延遲和精準度要求。此外，同樣的解決方案現在也預期具有可調式過電流保護、可調式湧入電流迴轉率、過壓箝位、逆向電流阻斷、熱保護等功能。此類設計需採用多種離散元件和一些 IC，這類組合會佔據相當大的電路板空間、提高成本，並且延遲上市時間。雪上加霜的是，還得具備高可靠度，更要符合國際安全標準 (如 IEC/UL62368-1 和 UL2367)。

為了因應這些要求，設計人員可轉用電子保險絲 (eFuse) IC 來提供奈秒 (ns) 短路保護，這比傳統保險絲或 PPTC 裝置的速度快約一百萬倍。

本文將說明為何需要比以往更快、更耐用、小型、可靠，且更具有成本效益的電路保護，接著會介紹 eFuse 及其運作方式。然後會介紹 Toshiba Electronic Devices and Storage Corporation 的多種 eFuse 產品，並展示其如何支援設計人員的需求，達到高成本效益、小型、耐用的防護。

電路保護需求

過電流狀態、短路、過載、過壓皆是電子系統需要的一些基本電路保護。過電流狀態係指過量的電流流經導體。這會引發大量發熱，導致起火風險或造成設備受損。過電流狀態可能源自短路、過量負載、設計故障、元件失效、電弧或接地故障。為了保護電路和裝置使用者，過電流保護必須要立即發揮作用。

過量電流不會立即造成危害時會呈現過載狀態，但長期下來就跟明顯過電流狀態一樣危險。過載保護功能會依據過載程度，在不同的時間延遲下發揮作用。隨著過載狀態加遽，延遲會縮短。過載保護可以透過時滯或慢熔式保險絲達成。

過壓狀態可能會導致系統操作不穩定，也可能會引發大量發熱，進而增加火災風險。過壓狀態亦有可能對系統使用者或操作人員造成立即的危險。如同過電流，過壓保護必須快速發揮作用，以切斷電源。

有些應用除了基本防護之外，還具備額外保護功能，可確保安全穩定的操作，包括可調式過壓和過電流保護等級、啟動湧入電流控制、熱保護，以及逆向電流阻斷。有多種電路保護裝置可以滿足不同組合的電路保護需求。

eFuse 如何運作？

相較於傳統保險絲和 PPTC 裝置，eFuse IC 提供更豐富的保護功能和更高程度的控制 (圖 1)。除了高速短路保護，eFuse 還提供精密的過壓箝位、可調式過電流保護、可調式電壓、電流迴轉率控制 (可將湧入電流和熱關斷降至最低)。也有提供內建逆向電流阻斷的款式。

圖 1：eFuse 可以取代傳統保險絲或 PPTC 裝置，並且提供額外的保護功能和更高程度的控制。(圖片來源：Toshiba)

eFuse 效能的關鍵之一就是內部功率 MOSFET，其具有導通電阻，通常在毫歐姆 (mΩ) 的範圍內，可以處理高輸出電流 (圖 2)。在正常作業中，功率 MOSFET 的超低導通電阻可確保 VOUT 與 VIN 的電壓幾乎相同。偵測到短路時，MOSFET 會迅速關閉，當系統恢復正常後，則會使用 MOSFET 來控制湧入電流。

圖 2：低導通電阻功率 MOSFET (中上處) 是 eFuse 達到迅速動作並提供受控啟動能力的關鍵。(圖片來源：Toshiba)

除了功率 MOSFET，eFuse 的主動本質也帶來多項效能優勢 (表 1)。傳統保險絲和 PPTC 屬於被動裝置，在跳脫電流方面的準確性低。這些裝置仰賴焦爾升溫，需要時間發熱，因此反應時間會拉長。eFuse 則會持續監測電流，當電流達到可調整電流限制位準的 1.6 倍時，就會啟動短路保護。啟動後，eFuse 的超高速短路保護技術就會在 150 至 320 ns 內將電流降至近乎零，相較於保險絲或 PPTC，其反應時間需要 1 秒甚至更久。快速的反應時間可降低系統壓力，進而提升耐用性。eFuse 不會受到短路破壞，所以可以重複使用。

表 1：相較於保險絲和 PPTC (poly switch) 裝置，eFuse IC 提供更快的防護速度、更高準確度、更完整的保護功能。(表格來源：Toshiba)

相較於單次使用的傳統保險絲，eFuse 可以達到更低的維護成本和更短的恢復和維修時間。eFuse 提供兩種從故障狀態恢復的類型：自動恢復會在故障狀態解除後恢復正常作業；閂鎖保護會在故障狀態解除並套用外部訊號後恢復正常。eFuse 也提供保傳統險絲或 PPTC 無法達到的過壓和熱保護。

eFuse 品項

挑選適當的 eFuse 時，通常要先考量應用的電源軌。若採用 5 至 12 V 電源軌，TCKE8xx 系列 eFuse 是不錯的選擇。其額定輸入高達 18 V 和 5 A，並且通過 IEC 62368-1 認證，採用 WSON10B 封裝，尺寸為 3.0 mm x 3.0 mm x 高 0.7 mm，間距為 0.5 mm (圖 3)。

圖 3：Toshiba 的 eFuse 採用 3 mm x 3 mm、高 0.7 mm 的 WSON10B 表面黏著封裝。(圖片來源：Toshiba)

TCKE8xx 系列能讓設計人員享有彈性，包括可由外部電阻設定的可調式過電流限制、外部電容設定的可調式迴轉率控制、過壓和欠壓保護、熱關斷，以及選配的外部逆向電流阻斷 FET 用的控制引腳。

設計人員也有三種不同的電壓箝位位準可以選擇：6.04 V 用於 5 V 系統 (例如 TCKE805NL,RF)、15.1 V 用於 12 V 系統 (包括 TCKE812NL,RF)，以及無箝位 (例如 TCKE800NL,RF) (圖 4)。過壓保護也可依據型號提供自動重試或箝位的型式，且箝位位準能以 7% 的精密度進行設定。可使用外部電阻針對欠壓鎖定進行編程。熱關斷功能會在溫度超過 160°C 時關斷 eFuse，藉此在過熱狀態下保護 IC。有自動恢復熱保護的款式會在溫度下降 20°C 時重啟。

圖 4：TCKE8xx 系列 eFuse 提供 6.04 V 箝位電壓可用於 5 V 系統 (TCKE805)、15.1 V 箝位可用於 12 V 系統 (TCKE812)，也有提供無箝位款式 (TCKE800)。(圖片來源：Toshiba)

為確保穩定操作，這些 eFuse 能讓設計人員透過選項，在啟動時設定電流和電壓的斜坡率 (圖 5)。電源啟動後，大湧入電流可能會流入輸出電容，造成 eFuse 跳脫，進而導致操作不穩定。eFuse dV/dT 引腳上的外部電容可針對電壓和電流設定啟動斜坡率，以免錯誤跳脫。

圖 5：設計人員可以設定電壓和電流的啟動斜坡率，確保 eFuse 穩定操作。(圖片來源：Toshiba)

設計人員可依據應用需求，添加一個外部 N 通道功率 MOSFET，以進行逆向電流阻斷；一個暫態電壓抑制 (TVS) 二極體，以提供輸入暫態電壓防護；一個肖特基能障二極體 (SBD)，以在 eFuse 的輸出提供負電壓尖波防護 (圖 6)。逆向電流阻斷在熱抽換硬碟與電池充電器等應用中相當實用。外部 MOSFET 可由 EFET 引腳控制。

若系統的功率匯流排會遭受到超過 eFuse 最大額定值的暫態電壓，就需要添加 TVS 二極體。在某些應用中，eFuse 的輸出可能會出現負電壓尖波，就可選配 SBD 來保護 IC 和負載側的其他裝置以及 eFuse 本身。Toshiba 推薦使用 SSM6K513NU,LF 當作外接 MOSFET、DF2S23P2CTC,L3F 當作 TVS 二極體，並可使用 CUHS20S30,H3F 當作 SBD。

圖 6：TCKE8xx 系列 eFuse 的典型應用指出，可選配 TVS 提供輸入暫態電壓防護、SBD 在輸出引腳上提供負電壓尖波防護，外接 MOSFET 可提供逆向電流阻斷。(圖片來源：Toshiba)

eFuse 內建逆向電流阻斷 MOSFET

若應用需要最小型的解決方案和逆向電流阻斷，設計人員可以轉用 TCKE712BNL,RF eFuse，其內建兩個 MOSFET (圖 7)。內建第二個 MOSFET 並不會帶來效能損失；兩個 MOSFET 的導通電阻僅有 53 mΩ，與使用單一個外接阻斷 MOSFET 時相同。

圖 7：TCKE712BNL,RF eFuse 含有兩個 MOSFET (中上)，無須外接 MOSFET 即可達到逆向電流阻斷。(圖片來源：Toshiba)

相較於 TCKE8xx 系列的固定電壓設計，TCKE712BNL,RF 具有 4.4 至 13.2 V 的輸入電壓範圍。為了支援此範圍的可能輸入電壓，其具有過壓保護 (OVP) 引腳，能讓設計人員設定過壓保護等級，以因應特定的系統需求。此外，TCKE712BNL 具有額外的 FLAG 引腳，可提供開汲極訊號輸出，以指出故障狀態。

結論

確保電子系統具備電路與使用者的防護相當重要，尤其是裝置逐漸普及且故障機率升高之際。除此之外，設計人員也要盡可能維持最小的成本和覆蓋區，同時達到最大的防護彈性，並且符合適用的保護標準。

eFuse 具有超快速操作、高精密度、可靠性、重複使用性；相較於傳統保險絲與 PPTC 裝置，不僅能讓設計人員享有高效能與彈性，也具備多種內建特點，可大幅簡化電路和使用者保護設計的作業。

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