有效使用電子保險絲保護敏感電路的原因及方法

作者：Bill Schweber

資料提供者：DigiKey 北美編輯群

2021-01-19

溫度保險絲順利當作基本的電路防護裝置已經超過 150 年。不僅有效、可靠且容易使用，更提供多種數值與款式，可滿足不同的設計目標。然而也有不可避免的缺點，無法提供設計人員所追求的極快速電流切斷、自行復歸，也無法在相對較低的電流值下運作。對這些設計人員來說，電子保險絲 (通常縮寫為 eFuse 或 e-Fuse) 是絕佳的解決方案，經常會用來輔助溫度保險絲，有時甚至會取而代之。

電子保險絲是以簡易的電流感測概念為基礎，會在已知的電阻上測量電壓，然後會在超過設計限值時，透過場效電晶體 (FET) 將電流關閉。電子保險絲具有溫度保險絲無法提供的特點、靈活性與功能。

本文將說明電子保險絲的運作方式。接著會探索其特點、其他功能，並說明如何有效使用這些主動電路保險絲。除此之外也會介紹來自 Texas Instruments、Toshiba Electronic Devices and Storage 與 STMicroelectronics 的範例解決方案，並概述如何有效使用。

電子保險絲的運作方式為何？

傳統溫度保險絲的運作原理相當簡單、為人熟悉且運作可靠：若通過可熔鏈的電流超過設計值，可熔鏈就會升溫直到熔斷。如此一來就會切斷店流露竟，讓電流歸零。溫度保險絲可在數百毫秒至數秒鐘內作出反應並打開電流路徑，依據保險絲的額定值與類型，以及過電流量而定。當然，如同所有主動與被動元件一樣，這個運作原理簡單的全被動裝置，在操作上依然有眾多變化及細微差異。

相對之下，電子保險絲的操作原理有所不同。在提供相同功能的前提下，更增添不同的新功能與特點。基本的電子保險絲概念也相當直覺：提供給負載的電流會通過 FET 與感測電阻，然後透過感測電阻上的電壓進行監測。超過預設值時，控制邏輯會將 FET 關閉，並切斷電流流動 (圖 1)。FET 會跟供電線路與負載串聯，必須有超低導通電阻，以免引起超量的電流電阻 (IR) 下降或造成電力浪費。

Texas Instruments 的電子保險絲圖圖 1：在電子保險絲中，電源給負載的電流會通過感測電阻，然後透過電阻上的電壓進行監測，若超過設定值，控制邏輯就會將 FET 關閉，阻擋電流流到負載。(圖片來源：Texas Instruments)

看起來電子保險絲似乎稍微複雜一點，屬於傳統被動式溫度保險絲的主動版本。確實如此，而且電子保險絲更提供一些獨特的屬性：

速度：屬於快熔裝置，切斷反應時間僅有幾微秒，有些設計更可在幾奈秒內反應。這對當今電路來說相當重要，因為其中有相當敏感的 IC 與被動元件。

低電流操作：電子保險絲不僅可在低電流下運作 (在 100 mA 以下運作)，更可在個位數的低電壓下工作。在此位準下，溫度保險絲通常無法獲得足夠的自體發熱電流，因此無法讓可熔鏈熔斷。

可復歸：依指定型號而定，電子保險絲可選擇在啟動後維持關閉 (稱為閂鎖關斷模式)，或是在電流故障排除後恢復正常操作 (自動重試模式)。第二個設定在暫態湧入電流情況下特別有用，因為此時並無「硬性」故障，例如在板件插入受電匯流排時。此外，在更換保險絲不易或費用昂貴時也相當有用。

逆電流防護：電子保險絲亦可提供逆電流防護，這是溫度保險絲做不到的。逆電流會在系統輸出電壓高於輸入電壓時發生。舉例而言，當有一組備援電源供應器並聯時就會發生。

過壓防護：電子保險絲因為有一些額外電路，因此亦可提供過壓防護，以免受到突波或感應衝擊的影響，會再輸出電壓超過設定電壓跳脫點時將 FET 關閉，並且只要過壓情況持續，就會保持在關斷狀態。

反轉極性防護：電子保險絲亦提供反轉極性防護，可在電源接反時迅速將電流切斷。當汽車電瓶因為纜線不小心接觸而短暫接反就是例子之一。

迴轉率上升：有些進階電子保險絲亦可提供指定的斷電／通電電流迴轉率上升，方法是控制通過元件 FET 的開／關暫態、透過外部控制，或是利用固定式元件。

基於這些原因，電子保險絲是不錯的電流控制解決方案。除了在某些情況下會取代溫度保險絲之外，通常是互相搭配使用的。在此配置下，電子保險絲可局部使用，以快速反應來保護子電路或 PC 板，例如熱抽換 (熱插拔) 系統、汽車應用、可編程邏輯控制器 (PLC) 以及電池充電／放電管理；輔助的溫度保險絲可提供系統層級的防護，以免大規模的整體故障，因此需要硬性且永久性的關斷。

如此一來，設計人員就能享受兩邊優勢，除了電子保險絲的所有能力，還有溫度保險絲明確不混亂的操作。不需要任何技術取捨或忍受缺點就可達成。當然，如同任何設計決策一樣，多少還是要折衷。在此情況下，佔位面積會逐漸增加，且物料清單 (BOM) 也稍微增加。

挑選電子保險絲：功能與應用

挑選電子保險絲時，必須考量一些基本參數。毫不意外的，最優先的考量是保險絲做動時的電流位準。這通常介於不到 1 A 至最高約 10 A，還有保險絲可在其端子上耐受的最大電壓。有些電子保險絲的這個電流位準是固定的，有些則可讓使用者透過外接電阻進行設定。挑選時的其他考量包括反應速度、靜態電流、尺寸 (覆蓋區)，以及必要外接支援元件的數量與類型 (若有)。除此之外，設計人員必須將不同電子保險絲型號所提供的其他任何特點與功能納入考量。

舉例而言，PLC 是電子保險絲能有所發揮的應用，因為其不同的子電路容易發生感測器 I/O 與電源誤接的情況。當電線接通或板件熱抽換時也會發生電流突波。以 Texas Instruments 的 TPS26620 電子保險絲為例，就經常用於 24 V 應用。此元件針對 500 mA 限制而設定，如圖 2 所示。可在高達 80 mA 下以 4.5 V 至 60 V 工作，並具有可編程電流限制、過壓、欠壓以及反轉極性防護。此 IC 亦可控制湧入電流，並可針對 PLC I/O 模組與感測器電源供應器的逆電流與現場接線錯誤情況提供完備的防護。

圖 2：Texas Instruments 的 TPS26620 電子保險絲可針對此 24 VDC PLC 應用設定成在電流 500 mA 時跳脫。(圖片來源：Texas Instruments)

圖 3 為 Toshiba 的 TCKE805 時序圖，此 18 V、5 A 電子保險絲展現出廠商已經實作自動重試模式與閂鎖模式之間的差異。在自動重試模式中 (由 EN/UVLO 封裝引腳設定)，過電流防護功能可在發生故障時抑制耗電量，藉此避免電子保險絲及負載受損。

圖 3：Toshiba 的 TCKE805 18 V、5 A 電子保險絲採用測試與重複循環順序來評估是否可安全恢復電流。(圖片來源： Toshiba)

若因為負載錯誤或短路導致輸出電流 (由外接電阻 R_LIM 設定) 超出電流限制值 (I_LIM)，輸出電流與輸出電壓會降低，進而限制 IC 與負載的耗電量。當輸出電流達到預設限值且偵測到過電流時，輸出電流會受到箝制，因此電流不會再超過 I_LIM。若過電流情況此時仍未排除，則會繼續維持箝制，而電子保險絲的溫度會持續上升。

當電子保險絲的溫度達到熱關斷功能的工作溫度時，電子保險絲的 MOSFET 會關閉，即可完全阻擋電流。自動重試功能會試著將電流停止，進而降低溫度並解除熱關斷功能，以便恢復電流。若溫度再次上升，此循環會重複並停止操作，直到過電流情況消失為止。

相對地，閂鎖模式則會箝制輸出直到電子保險絲透過 IC 的致能 (EN) 引腳重置為止 (圖 4)。

Toshiba 的電子保險絲圖片 圖 4：在閂鎖模式中，與自動重試模式不同的是，Toshiba 的電子保險絲在 IC 的致能引腳要求重置之前，都不會重置。(圖片來源：Toshiba)

有些電子保險絲可進行配置，以克服電阻上電流感測的相關問題，例如相關的 IR 降低，否則會導致輸出側的電軌電壓降低。以 STMicroelectronics 的 3.3 V STEF033AJR 為例，其 DFN 封裝款式的標稱最大電流與 FET 導通電阻值分別為 3.6 A 及 40 mΩ，覆晶款式則為 2.5 A 與 25 mΩ。在圖 5 的傳統連接中，在較高電流值情況下，即便透過導通電組，電源電軌只有輕微的 IR 降低 (約 15 mV)，也有可能會帶來嚴重影響且令人擔憂。

STMicroelectronics 的 STEF033AJR 傳統接線示意圖 圖 5：在 STEF033AJR 傳統接線中，負責建立限值 R-lim 的電阻會放置在兩個指定端子之間。(圖片來源：STMicroelectronics)

修改傳統接線的方式是將電阻放在正極側限制接線以及輸出電壓接線 (V_OUT/Source) 之間，如此即可達到凱氏感測配置，針對 IR 降低進行補償 (圖 6)。

限制電阻的負極側接到電壓輸出示意圖 圖 6：為了降低電流感測 IR 降低的影響，限制電阻的負極側會接至電壓輸出 (V_OUT/Source)。(圖片來源：STMicroelectronics)

請注意，即便電子保險絲屬於半導體，並可在低至個位數的電壓下工作，但並非侷限在此低位準區間。舉例而言，Texas Instruments 的 TPS2662x 系列電子保險絲，額定工作電壓就介於 4.5 至 57 V。

電子保險絲：自製或購買？

原則上來說，是可以使用一些 FET、電阻與電感，從離散元件階段開始打造基本的電子保險絲。最初的電子保險絲就是這樣構成，其中電感有兩個用途：過濾 DC 輸出，並可利用繞組的 DC 電阻值當作感測電阻使用。

然而，增強型電子保險絲若要有更一致的效能，就要考量元件特性以及現實的操作情況，而這就不是單純一些離散式元件能辦到的。即便額外添加元件，也僅可提供基本的電子保險絲功能而已 (圖 7)。

Texas Instruments 的電子保險絲使用離散式元件提供基本功能示意圖 圖 7：採用離散元件提供基本功能的電子保險絲必須預期並克服本質上的限制。(圖片來源：Texas Instruments)

現實情況是，逐漸累積主被動離散式元件很快就會導致使用不便，而且容易受到單元對單元的效能差異影響，此外更有初始容差、元件老化以及溫度引起的飄移等相關問題。簡而言之，DIY 自製的離散式解決方案有諸多限制：

離散電路通常採用 P 通道 MOSFET 當作被動要件，與 N 通道 MOSFET 相比，若要達到相同的導通電阻值 (R_DS(ON))，則費用更貴。
離散式解決方案效能不足，因為其二極體上有功率耗散，也會引起板溫度上升。
離散式電路並不容易針對被動要件 FET 納入足夠的溫度防護。因此，關鍵的增進效果就無法捨棄，或是設計必須明顯擴大以提供適當的安全操作區域 (SOA)。
完善的離散電路需要許多元件與可觀的板空間，而且還要確保電路完整性及可靠度，這都要增添額外元件。
即便離散設計中的輸出電壓迴轉率可以使用電阻與電容 (RC) 元件來調整，這些元件必須在徹底瞭解被動 FET 閘極特性下調整尺寸才行。

即便可以接受離散元件解決方案，與 IC 解決方案相比，就會侷限在其本身特點內。IC 解決方案可包含之前提到的一些或全部的額外功能，如圖 8 電子保險絲方塊圖所示。除此之外，IC 解決方案尺寸更小、具有更一致且完整特性化的效能，並且令人安心，這是多元件解決方案達不到的，而且成本還更低。請注意，TPS26620 規格書提供數十個效能圖與時序圖，可涵蓋諸多操作條件，而這些都是離散元件「自製」作法難以達到的。

圖 8：全方位電子保險絲具有顯著的簡易性與吸引力可掩飾其內部複雜性，單純使用離散式元件是非常難達到此優勢的。(圖片來源：Texas Instruments)

購買標準型電子保險絲 IC，而非採取離散式 DIY 路線還有另一個關鍵原因：法規核准。許多保險絲，無論是溫度或電子保險絲，都是為了提供安全相關功能，以免過多電流導致元件過熱、起火，甚至導致使用者受傷。

所有的傳統溫度保險絲已經通過眾多法規機構與標準的核准，在正確使用下都可以提供防故障的電流切斷功能。然而，若是離散式解決方案，要達到同等的核准非常困難且相當耗時，甚至幾乎不可能。

相較之下，許多電子保險絲 IC 已經通過核准。舉例而言，TPS2662x 系列電子保險絲已通過 UL 2367 認可 (特殊用途固態過電流保護器) 以及 IEC 62368-1 的認證 (影音與資通訊技術設備第一篇：安全要求)。此外也符合 IEC 61000-4-5 (電磁相容性 (EMC) 第 4-5 篇：測試與測量技術 - 突波耐受度測試)。為了通過認證，這些電子保險絲都在基本情況以及其他眾多情況下進行測試，包括最低與最高的工作溫度、最低與最高的存放與運輸溫度、多次的異常與耐用度測試，以及熱循環。