熟悉電子保險絲：有許多實用功能

傳統溫度保險絲有非常具體且令人滿意的特質，那就是只做一件事。即在發生過流故障情況時將電流永久切斷至零。不僅有效且可靠，更可默默守護，無需任何擔憂。也可以目視檢查，或用歐姆計輕鬆檢查 (圖 1)。

圖 1：傳統溫度保險絲的狀態容易檢查；通常目視檢查即可，若無法目視檢查，則可用歐姆計達到簡便且明確的連續測試。(圖片來源： Wololo.net)

每天有數十億個溫度保險絲在默默守護，是眾多故障情況的第一道或最終防線，可避免下游元件受損到起火等諸多憾事發生。也許我們喜歡這些易熔線裝置還有另一個原因，就是帶來一種原始生活的連結：加熱和融化，讓我們遙想穴居人的時代。又或者，我們喜歡這些裝置無私地奉獻，保護電源或負載以免受損，因此令人感到可貴。

無論原因為何，現實情況是時代在變、技術在進步，應用也有所變化。因此，即使是經典的溫度保險絲也已無法在現代化設計中，提供其所需的所有保險絲相關功能和特點。電子保險絲，簡稱為 eFuse 或 e-Fuse，因為有傳統溫度保險絲無法提供的特殊能力，因此越來越廣泛用於保護附屬電路與功能。但是，若要使用電子保險絲，在許多情況下，設計人員對保險絲的「心態」也要有所改變。

什麼是電子保險絲？

雖然溫度保險絲和電子保險絲同屬保險絲，但其運作原理大相徑庭。溫度保險絲的運作原理相當直接：電流透過 I²R 耗散加熱易熔線，當電流太大時，就會熔化。此熔化動作的速度以及電流路徑的開啟，取決於電流的超出程度和時間。

若使用電子保險絲，負載電流會穿越 FET，且有專用的電流感測器，會監測感測電阻兩端的電壓，藉此測量電流。當感測到的電壓超過臨界值時，FET 會關閉將電流停止 (任何 FET 漏電流除外)。

基於操作原理的明顯差異性，溫度保險絲與電子保險絲展現的特性也相當不同。電子保險絲的屬性可能是優點也可能是缺點，視應用而定。屬性包括：

• 超快速短路保護：超高速的短路保護技術能在毫秒甚至微秒內提供基本的熔斷效果，比溫度保險絲更加快速。
• 過流保護值相當準確，且依據電子保險絲而定，可透過外部電阻或由原廠進行設定，比起最主要仰賴於電流與時間綜合考量的溫度保險絲更加精準。
• 標準電子保險絲與基本的易熔線裝置有所不同，可在過載情況消失後，自動重新建立電流動作。
• 電子保險絲還可箝制輸出讓電壓瞬間升高，藉此預防過多電壓施加到負載。
• 某些電子保險絲可以透過增加外接電容的方式，將啟動迴轉率設定成需要的值，藉此抑制湧入電流。

藉由這些特點與特性，電子保險絲非常適合熱抽換控制器或汽車附屬電路等應用，因為這些應用有短暫、潛在損壞性的電流或電壓暫態峰值，必須立即抑制，但一旦暫態消退，電流就可再次恢復。

你可用基本元件打造您專屬的電子保險絲，已經有人如此做過。但與普遍的情況一下，IC 款式能以較小的封裝提供改進且一致的效能，同時還可將一些 DIY 離散款式難以提供的特點添加進去。基本的電子保險絲原則上僅需少許元件，但實際上，完整且更多功能的電子保險絲電路，可能還需要二極體和暫態電壓抑制 (TVS) 裝置，以及一些電阻和電容。

例如，若要添加相當常見且很實用的逆向電壓保護特點，有幾種方法可達成：添加二極體 (會有不想要的順向二極壓降)；理想二極體電路搭配 P-MOSFET；或溫度保險絲加上 TVS 二極體 (圖 2)。相反地，Texas Instruments 的 TPS26620 解決方案則有較少的設計問題，並有更優秀更完整特色化的效能。此解決方案也比離散式的尺寸更小，僅有 3 × 3 mm。

圖 2：離散式電子保險絲可使用以下幾種元件進行實作：a) 二極體；b) P-MOSFET；c) 溫度保險絲搭配 TVS 二極體；d) TPS26620 電子保險絲。(圖片來源：Texas Instruments)

若要採取 DIY 電子保險絲做法，有一點非常值得深思熟慮：正式認證。所有溫度保險絲都符合防護層面的法規標準，因此能簡化產品的許可作業。但是，自行建造的電子保險絲在本質上並不符合這些要求，包括但不限於沿面距離和間隙 (屬於電壓功能)。因此必須經過獨立認證。此認證需要龐大的付出與心血，若使用許多已通過認證的電子保險絲任一款，就可省去麻煩。例如， Toshiba Semiconductor and Storage Corp. 近期推出的 TCKE805NL 5 A 電子保險絲就通過 IEC62368-1 認證，此標準是以危害程度為基礎，針對資訊與通訊技術 (ICT) 以及影音設備所制訂的較新產品安全標準。

圖 3：Toshiba 的 TCKE805NL 符合針對 ICT 與 AV 設備所制訂的較新 IEC62368-1 危害式產品安全標準。(圖片來源： Toshiba Semiconductor and Storage)

結論

認為電子保險絲會完全取代廣泛使用的溫度式保險絲其實不切實際。現實情況是，每個類型都有相異的特點和優勢，可在現代化電路和系統設計中發揮用處。對許多設計人員來說，最好的選擇是兩者都使用。電子保險絲可局部使用，而溫度保險絲則可當作較大型系統功能的後盾，因為這些系統的電流和電壓較高，而且有電路或電流過高的安全疑慮。

但是，若單獨使用電子保險絲或是搭配溫度保險絲一併使用，則要在考量保險絲選項時改變心態。除了兩種保險絲類型的電流限制值等基本規格之外，評估電子保險絲的參數也跟溫度保險絲相當不同，都必須納入考量。若一同使用，溫度保險絲與電子保險絲可達到強大的功能、特點、靈活性與明確性組合。

進階閱讀：

“The Right Power Supply is Critical to Meet the New IEC/UL IEC-62368 Consumer Product Safety Mandate”

https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2019/dec/the-right-power-supply-to-meet-the-new-iec-ul-iec-62368-safety-mandate

“Fuse Tutorial”

https://www.digikey.com/en/articles/fuse-tutorial

外部參考

Texas Instruments, SLVA862A, “Basics of eFuses”

http://www.ti.com/lit/pdf/slva862

Texas Instruments, “eFuse and hot swap controllers”

http://www.ti.com/power-management/power-switches/efuse-hotswap-controllers/overview.html

CUI Devices, “IEC 62368-1: An Introduction to the New Safety Standard for ICT and AV Equipment”

https://www.cui.com/catalog/resource/iec-62368-1-an-introduction-to-the-new-safety-standard-for-ict-and-av-equipment.pdf

TUV, “What You Need to Know about IEC 62368-1”

https://insights.tuv.com/blog/what-you-need-to-know-about-iec62368-1

Optimum Design Associates, “Clearance and Creepage Rules for PCB Assembly”

http://blog.optimumdesign.com/clearance-and-creepage-rules-for-pcb-assembly