电子熔断器在大电流应用安规方面的细节讲解

作为一名谨慎的模拟工程师，我一直喜欢传统的热熔断器，而对于电子熔断器（简写为e-fuse或eFuse），由于其使用了有源器件而有所怀疑。毕竟，在可靠性方面，越简单越好，没有什么在功能上比热熔断器更简单的了。我并不是要在技术上贬损它们，相反，它们实际上包含了先进的科技材料，只不过它们的功能很简单。

面对现实吧：标准熔断器用来做一件事情，做得很好，并且是在一组给定的规格内以完全定义、永远不变的方式来做。由于它们不存在钩子之类的部件，因此不会弄乱（图1）。只要指定了合适的熔断器参数——额定电流、延时、材料、物理尺寸——就不会弄错。我知道，每个人都有可能遇到熔断器没有按预期动作的情况，但那毕竟非常罕见。英语中还有个有趣的怪事是：“fuse”（熔断器）会在过电流下断开，而“to fuse”（融合）则是指将两种材料结合在一起。

图1：热熔断器有三种常用的原理图符号；这种两端无源元件的原理图和功能都很简单，这是其主要优点。图片来源：quora.com

然而，热熔断器有几个缺点，首先就是反应时间。取决于与阈值相比的过电流值，其发生反应和断开电路可能需要数十毫秒到数十秒的时间。在当今的低电压设计中，过电流通常是个适中的值，因此熔断器的反应时间可能太慢，而无法保护敏感电路。同样，标准熔断器在断开后必须进行物理更换，这在许多（但不是全部）应用中都是个不利因素。

从概念上讲，电子熔断器是种简单的电路；由于它可以测量电流，而不依赖于加热和随之而来的串联元件的开路，因此具有独特的优势，为限制电流和切断电流提供了另一种方法。它由几个模拟器件构成：一个精密的电流检测电阻器；一个具有精确比例电阻的放大器，用于捕获和“增大”电阻器两端的电压；一个比较器电路，用来在预设值处进行“开关”；以及一个MOSFET，用来提供/断开被监控线路中的电流路径（图2）。

图2：典型电子熔断器的基本框图，由此可知其非常简单、易于连接。（图片来源：德州仪器）

电路功能相当简单。通常，选择电阻器的值时，应使其在最大电流下的压降在50至100mV之间。电子熔断器连接在电源轨（或电源）和要保护的负载之间。要监视的电流流经电阻并在其两端产生电压，电流检测放大器（CSA）检测该电压并对其进行缩放。

尽管可以通过单独的元器件构建电子熔断器，但大多数用户都选择完整的基于IC的电子熔断器，其中集成了包括FET在内的必要电路（图3），有些甚至还具有内部检测电阻。其他基于IC的电子熔断器还包括其他功能，例如用户可编程的欠压锁定、过压钳位和自动重试，以及可以通过外部元件设置的启动时间。最后一项功能对于在启动和热插拔操作期间控制浪涌电流很有用，因此它们在这种应用中得到了广泛采用。

图3：具有附加功能的电子熔断器通过简单的外部无源元件进行编程，其他电子熔断器还具有其他功能。（图片来源：德州仪器）

对电子熔断器的最初感觉是，它们可以在尽可能低的电流/电压电路中发挥作用。我不确定它们是否适合需要美国保险商实验室（UL）和国际电工委员会（IEC）认证的更高范围的应用，而热熔断器对于这些应用却是一种公认的保护手段。

这就是我对德州仪器（TI）发布的笔记“eFuse： Safety Certification and why it Matters”（eFuse：安全认证及其重要性）感兴趣的原因。这个笔记讨论了电子熔断器如何能够符合UL/IEC认证流程，以及为什么它们在合适的条件下适用。这些认证要求是如此复杂，有许多条款、任务、例外和规则，以至于任何博学的建议都受到欢迎，并且任何元器件如果能借此跳过过程中的一步都是一件好事。

这个简要笔记解释了电子熔断器在这些安规方面的细节，同时也让我想起一个很容易被忽略的要点：熔断器可以防止过电流情况及其对系统和人员造成的风险。即使我们会不知不觉地将“危险”与120/240V的市电电压及其可能传输的大量电流联系在一起，但它们也不是用于高压保护。这一TI笔记列出了各种正规的电子熔断器，最高规格达到6A时4.5至60V——显然不是市电电压，但仍然是相当大的电流和两位数的电压。防止高压事件并不是熔断器的任务，而是压敏电阻（MOV）、火花间隙和其他器件的作用。

现实情况是，电子熔断器与热熔断器相比有明显的不同，并且它们通常都是有益的：精确限流、远快的反应时间，以及故障排除后可自我修复和恢复连接（取决于电子熔断器型号）。在许多设计情况下，有必要认真考虑使用电子熔断器代替传统的热敏器件。

但是，电子熔断器远非简单、极其可靠、功能有限的热熔断器所能比。尽管很简单，但它是一种有源器件。也许某些设计需要同时使用电子熔断器和热熔断器来获得最大信心，这是一种小心谨慎的方法。

但是，这是否表明设计人员做事小心谨慎，还是设计人员对故障分析缺乏信心，而后采取的保护方案？您对在大电流应用中使用电子熔断器有何看法？

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