ICEE-eFuse电子保险丝

eFuse的原理是以测量电压(已知高精密电阻分压分流网络上的)和内部高精密参考电压，

经过ADC变换成数字信号，通过计算来精准检测电流电压，

并且在电流超过设计限值时，通过场效应晶体管 (FET) 切断电流。

2022年10月13日07:30 电子工程世界官方账号

FUSE(热保险管/丝)作为一种基本的电路保护器件，已经成功使用了150多年。

热保险丝有效、可靠、易用，具有各种不同的数值和版本，能够满足不同的设计目标。

然而，热保险管/丝不可避免的缺点就是其自复位能力，以及在较低电流下的工作能力。

eFuse有热保险丝无法实现特性、灵活性和功能。

要以极快的速度切断电流，电子保险丝(常用eFuse或e-Fuse表示)是一种很好的解决方案，

有时还可以取代热保险丝，但通常是对热保险丝功能的补充。

eFuse的原理是以测量电压(已知高精密电阻分压分流网络上的)和内部高精密参考电压，

经过ADC变换成数字信号，通过计算来精准检测电流电压，

并且在电流超过设计限值时，通过场效应晶体管 (FET) 切断电流。

本文将介绍电子保险丝的工作原理，探讨有源电路保险丝的特点、功能及如何有效使用。

同时，本文还将以Texas Instruments、Toshiba Electronic Devices and Storage、

STMicroelectronics的解决方案为例介绍电子保险丝及其有效使用情况。

eFuses如何工作？

传统热保险丝的工作原理简单可靠，为人熟知：当通过易熔连接部分的电流超过设计值时，

该元件就会被充分加热而熔化。这样，电流路径被切断，电流为零。

根据保险丝的额定值、类型以及过电流的大小，热保险丝可在几百毫秒到几秒范围，

作出响应并断开电流通路。

而电子保险丝的工作原理则大不同。电子保险丝有增加不同的新功能和新特性，

还有传统保险丝的保护能力。

eFuse的概念：负载电流通过FET和一个检测电阻器，并通过检测电阻器上的电压进行监控。

当该电压超过预设值时，控制逻辑会断开FET并切断电流路径（图1）。

FET与电源线和负载串联，必须具有非常低的导通电阻，不会引起过大的电流电阻(IR)降或功率损失。

图1：电子保险丝，当从电源到负载的电流通过检测电阻时，通过该电阻上的电压进行监测；

当测得的电压超过设定值时，控制逻辑将FET断开，以阻断电流流向负载。

（图片来源：Texas Instruments）！

eFuse并非经典无源热保险丝的一个更复杂的有源版本。

eFuse电子保险丝有一些不可取代的属性：

• 速度超快：反应快，其断开反应时间为微秒级，有些设计能达到纳秒级。
  
  这一属性对于今天采用敏感的IC和无源元件的电路非常重要。

• 低电流操作：不仅可在低电流工作(大约100mA或更小)，还可在很低至个位数的电压正常工作。
  
  这时，热保险丝往往无法获得足够的自热电流，以促使其易熔连接部分熔断。

• 可复位：eFuse可选择(根据具体型号)在激活后保持断开(称为闩锁模式)，
  
  在当前故障消失后恢复正常工作(自动重启模式)。
  
  在没有"硬"故障的浪涌电流特别有用，例如当板子插入带电总线时。
  
  在更换保险丝不易或成本较高时，也很有用。

• 反向电流保护：提供反向电流保护，这是热熔断器无法做到的。
  
  当系统输出电压高于其输入的电压时，就会出现反向电流。
  
  例如，在一组冗余电源并联时就会出现这种情况。

• 过压保护：eFuse还可以用额外的电路实现过压保护，以防止浪涌或感应跳闸，
  
  即当输入电压超过设定的过压跳闸点，切断FET并在过压条件持续期间保持断开状态。

• 反极性保护：假设电源反向连接，则迅速切断电流。例如汽车电池因误接的短暂反接。

• 转换速率递增：一些先进的eFuse还可通过外部控制或使用固定元件，
  
  控制无源元件FET的导通/关断之间的切换，以实现自主的断电/上电电流转换速率。

因此，eFuses是一种非常有吸引力的电流控制解决方案。

有时可以代替热保险丝，但两者多为搭配使用的，设计者就能做到两全其美。这时:

• eFuse用于为局部电路或PC板提供局部快速响应保护，
  
  例如热插拔系统、汽车应用、可编程逻辑控制器(PLC)和电池充放电管理；
• 热保险丝可互补的提供清晰明确的动作实现系统级保护，以防止永久关断的严重系统故障。
• 但使用空间的增加和BOM(材料清单)成本会略大。

** 应用选择eFuse**

选择电子保险丝时需要考虑一些参数。

• 首要的考虑: 是保险丝动作时的耐受最高电压与电流水平。动作电流通常为从1安培(A)以下到10A左右。
  
  有的电流水平是固定的，而其他的电流水平可由用户通过外部电阻器设置。
• 其他的选择: 包括响应速度、静态电流、尺寸（封装）以及所需外部元器件的数量和类型（如有）。
• 此外，设计人员还必须考虑不同eFuse可能有的其它任何方面。

例如，PLC应用时要防止传感器I/O和电源的错接，以及连接导线或热插拔电路板时的电流浪涌。

而 Texas Instruments 的 TPS26620 电子保险丝通常用于这类24V应用，其设定的电流限值为500mA。

该eFuse的工作电压为4.5V至60V，最大电流为80mA，具有可编程的电流限值、过压、欠压和反极性保护功能。该IC还可以控制浪涌电流，并为PLC I/O模块和传感器电源提供强大的反向电流和现场误接线保护。



上图所示为Texas Instruments的TPS26620 eFuse应用在24V DC的PLC的跳闸电流时设置为500mA（图片来源：Texas Instruments）