熟悉电子保险丝：这些器件具有许多有用的特性

传统热熔保险丝有一些非常切实且令人满意的特性。热熔保险丝的作用是在发生过流故障时能够可靠、永久、完美地将电流降为零，并且在警觉的同时保持安静，不会招致任何麻烦。该器件也可通过外观直接检查，或方便地使用欧姆表检查（图 1）。

图 1：常规热熔保险丝的状态易于检查；通常可通过肉眼检查，但如果无法采用这种方式，可使用欧姆表进行简单、明确的连续测试。（图片来源：Wololo.net）

每天都有数亿只保险丝被用作抵御各种故障的第一道或最后一道防线，以防止从下游组件损坏到起火的各种可能发生的故障。也许我们也喜欢这些熔融式连接器件，因为它们提供了一种原始连接：加热和熔化，这让我们可以追溯到穴居人时代。再或者，也许我们喜欢这种器件的贵族意识，因为它们的无私奉献，电源或者负载才得以保护，免遭损坏。

无论何种原因，现实是时代在变化，技术在进步，应用也在变化。因此，即使是传统热保险丝也不具备满足现代设计需求的、与保险丝相关的所有功能。电子保险丝也称为 eFuse 或 e-Fuse，具有传统保险丝没有的独特功能，因此迅速成为子电路保护和功能方面的重要元器件。然而在很多情况下，使用电子保险丝前需要改变设计师的“思维方式”。

什么是电子保险丝？

尽管热熔保险丝和电子保险丝都含“保险丝”一词，但工作原理却截然不同。热熔保险丝的工作原理是直接的：电流按照 I²R 耗散规则加热其可熔断连接部分，电流过大时则将其熔化。熔化作用和电流路径断开的速度取决于流过多少额外电流以及持续多长时间。

在电子保险丝中，流向负载的电流流经 FET 器件，同时由专用电流检测器通过监视检测电阻器两端的电压来计算电流。当检测到的电压超过极限阈值时，FET 关断并且电流断开（任何 FET 泄漏电流除外）。

由于这些非常不同的工作原理，热熔保险丝和电子保险丝的特性截然不同。根据应用的不同，电子保险丝属性可能成为优点，也可能成为缺点。具体属性包括：

• 超快速短路保护：超高速短路保护技术可在几毫秒甚至几微秒内实现基本的熔断动作，这要比热熔保险丝快得多。
• 过流保护值相当准确，由用户通过外部电阻器设置或在工厂设置（视具体电子保险丝而定）； 这比依赖于（一阶）电流和时间组合的热熔保险丝更为精确。
• 与基本熔断式连接器件不同，标准电子保险丝可以在过载消失后重新自动建立电流路径。
• 电子保险丝还可以针对瞬态电压升高进行输出钳位，以防负载被施加过高的电压。
• 某些保险丝可以通过添加外部电容器来抑制浪涌电流，这种电容器可将开启速率设置为所需值。

这些特征和特性使得电子保险丝非常适用于诸如热插拔控制器或汽车子电路之类的应用。在这些应用中，存在必须立即抑制的、潜在的短暂破坏性电流或电压瞬态尖峰，但是一旦瞬态消退，电流即可恢复正常。

您可以使用基本元器件构建自己的电子保险丝，并且有人已经做成了。然而，IC 版器件不仅以较小的封装拥有了一致且更优的性能，而且还增加了 DIY 分立器件版难以实现的功能。虽然基本型电子保险丝原则上仅需要几个元器件，但实际上，一个完整且功能更强大的电子保险丝电路可能还需要二极管和瞬态电压抑制 (TVS) 器件以及一些电阻器和电容器。

例如，可以通过以下几种方式添加一个非常有用的通用功能来实现反向电压保护：增加一个二极管（具有不希望出现的二极管正向压降）；具有 P-MOSFET 的理想二极管电路；或热熔保险丝和 TVS 二极管（图 2）。相反，我们可以使用 Texas Instruments 推出的 TPS26620 器件，这种解决方案几乎没有设计问题，而且具有更优良的、经过充分特征化的性能。相比分立器件版本，这种解决方案的封装更小，仅为 3×3 毫米 (mm)。

图 2：可以使用以下几种方式实现分立式电子保险丝：a）二极管，（b）P-MOSFET， （c）热保险丝与 TVS 二极管或（d）TPS26620 电子保险丝。（图片来源：Texas Instruments）

走 DIY 电子保险丝路线时，还有一个地方需要慎重考虑：官方认证。所有热熔保险丝均符合保护法规标准，因此简化了产品认证。但是，自己构建的电子保险丝本身不会满足这些要求，具体包括但不限于爬电距离和电气间隙（与电压之间是函数）。因此，这种器件必须进行单独认证。这种认证意味着郑重的承诺和更多的努力，但是采用某种获得认证的保险丝就可避免这些情况。例如，Toshiba Semiconductor and Storage Corp. 最近发布的 TCKE805NL 5 A 电子保险丝已获得 IEC62368-1 认证。这是一个相当新的、基于危害的信息和通信技术 (ICT) 和音/视频设备产品安全标准（图 3）。

图 3：Toshiba 的 TCKE805NL 符合相对较新的 IEC62368-1 基于危害的 ICT 和 AV 设备产品安全标准。（图片源：Toshiba Semiconductor and Storage）

总结

认为电子保险丝将完全取代目前广泛使用的热熔保险丝是不现实的。实际上，每种类型器件都有其独特的功能和优点，并在现代电路和系统设计中有着明确的定位。对于许多设计人员来说，最好的选择两者都使用。电子保险丝可以在本地使用，而热熔保险丝可以用作较大系统功能的逆止器。这种系统的电流和电压都较高，可能会由于过高的电流危害到电路或安全。

但是，在单独使用电子保险丝或与搭配使用热熔保险的情况下，在确定熔断选项时需要改变现有观念。除两种保险丝的基本限流规格外，用于评估电子保险丝与热熔保险丝的参数完全不同，因此必须具体情况具体分析。搭配使用时，热熔保险丝和电子保险丝会在功能、特性、灵活性和确定性方面实现强强联手。

延伸阅读：

“合适的电源对于符合新的 IEC/UL IEC-62368 消费类产品安全要求至关重要”

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

“保险丝教程”

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

外部参考

Texas Instruments，SLVA862A，“电子保险丝基础知识”

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

Texas Instruments，“电子保险丝和热插拔控制器”

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

CUI Devices，“IEC 62368-1：ICT 和 AV 设备新安全标准介绍”

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

TUV，“您需要了解 IEC 62368-1 标准的哪些规定”

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

Optimum Design Associates，“PCB 组件的间隙和爬电规则”

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