中心議題：
- 不同類型熔絲比較
- 電子熔絲的重要特點(diǎn)
- 使用電子熔絲的要點(diǎn)
- 過壓鉗位保護(hù)芯片免受過壓瞬態(tài)影響
- 監(jiān)測(cè)發(fā)熱信號(hào)以檢測(cè)芯片的狀態(tài)
- 集成了dv/dt電路控制系統(tǒng)浪涌電流
- 在FET溫度達(dá)到關(guān)閉點(diǎn)的事件中啟動(dòng)熱關(guān)閉
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源總線很好理解及量化。大多數(shù)外圍器件要么使用12V總線，要么使用5V總線，或同時(shí)使用12V及5V總線。由于連接至這些總線的器件數(shù)量眾多，需要認(rèn)真注意每個(gè)電路的接口。
無(wú)論器件什么時(shí)候連接至帶多個(gè)負(fù)載的電源，都需要當(dāng)本地保護(hù)電路。這種需要是雙重的，既需要在發(fā)生電壓瞬態(tài)事件時(shí)保護(hù)這些器件免受電源影響，也需要在發(fā)生過載條件時(shí)保護(hù)電源免受這些器件影響。本文介紹幾種不同的熔絲選擇，并詳細(xì)解釋電子熔絲(eFuse)的工作。
不同類型熔絲比較
為了更好地了解市場(chǎng)上不同的熔絲選擇，我們比較了這問題常見的三種解決方案。金屬熔絲應(yīng)用已久，易于理解。它們通常聯(lián)合硅瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)一起使用，結(jié)合了鉗位電壓尖峰和限流保護(hù)。
聚合物器件以導(dǎo)電型塑料制成，這些器件在電流(內(nèi)部熱量)達(dá)到預(yù)設(shè)定的電平時(shí)會(huì)改變它們的阻抗。這些器件也經(jīng)常與TVS器件一起使用，就像金屬熔絲那樣。電子熔絲是半導(dǎo)體電路，控制功率開關(guān)(通常是功率MOSFET)，并按照預(yù)設(shè)的參數(shù)改變其阻抗。表1簡(jiǎn)單比較了這三類熔絲。
所選的這些測(cè)試器件是我們討論的不同類型器件的代表。多家制造商提供眾多額定值各不相同的器件。因此，這比較并不是決定性的，但可助了解不同類型器件的主要區(qū)別。
1.動(dòng)作周期數(shù)：電子熔絲是半導(dǎo)體電路，雖然任何元件都有其相關(guān)的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)，但它沒有固有的耗損(wear-out)問題。測(cè)試顯示，它們經(jīng)過數(shù)百萬(wàn)次工作周期都沒有故障。聚合物熔絲的使用壽命有限，雖然在大多數(shù)情況下它們的壽命都比它們所保護(hù)的裝置長(zhǎng)得多。當(dāng)然，金屬熔絲是僅能使用一次的器件。
2.動(dòng)作時(shí)間：金屬熔絲或聚合物熔絲的動(dòng)作時(shí)間取決于發(fā)熱量，不同環(huán)境溫度及過載幅度下的動(dòng)作時(shí)間各不相同。由于電子熔絲是半導(dǎo)體電路，它們的工作速度比因熱動(dòng)作的器件高得多。
一般情況下，對(duì)金屬熔絲和聚合物熔絲而言，電路的熱時(shí)間常數(shù)及器件耗散的能量是影響器件能夠保護(hù)電路的速度的主要因素。對(duì)電子熔絲而言，基于寄生電容及驅(qū)動(dòng)電流的電氣時(shí)間常數(shù)決定了動(dòng)作速度，它們的速度快得多且非常一致。
3.導(dǎo)電/阻斷時(shí)的電阻變化：這些數(shù)據(jù)對(duì)比了導(dǎo)電狀態(tài)的電阻及阻斷狀態(tài)的電阻。電子熔絲的阻抗基于12V電壓源及1nA最大泄漏電流。
4.導(dǎo)通阻抗容限：這個(gè)參數(shù)衡量的是器件在導(dǎo)電模式下的電阻變化。導(dǎo)電狀態(tài)下的阻抗很重要，因?yàn)樗请娫聪到y(tǒng)損耗的一種衡量標(biāo)準(zhǔn)，能夠影響散熱及電源穩(wěn)壓。
5.電流動(dòng)作點(diǎn)容限：該參數(shù)指的是額定動(dòng)作電流在20°C時(shí)的變化幅度。必須選擇額定電流能夠確保工作而不會(huì)在最大負(fù)載電流時(shí)動(dòng)作的熔絲，故最低的動(dòng)作點(diǎn)必須大于可能的最大負(fù)載。這樣動(dòng)作點(diǎn)容限就決定短路條件下最大電流有多大。
6.動(dòng)作點(diǎn)變化vs.溫度：這個(gè)變化參數(shù)屬于器件總?cè)菹薜囊徊糠帧?br />
7.保護(hù)：由于金屬熔絲和聚合物熔絲是嚴(yán)格限流的器件，它們本質(zhì)上不會(huì)針對(duì)電壓尖峰及瞬態(tài)事件提供保護(hù)。有幾種聚合物器件以與瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)鉗位器件封裝在一起的形式供貨，能夠提供電壓瞬態(tài)保護(hù)。某些系統(tǒng)中，金屬熔絲也與TVS器件結(jié)合在一起。
電子熔絲包含過壓保護(hù)電路，而這個(gè)功能本質(zhì)上沒有壞處。它不會(huì)改變功率場(chǎng)效應(yīng)管(FET)的要求，僅會(huì)增加少許的控制電路。
8.復(fù)位選擇：聚合物熔絲通常是在冷卻后復(fù)位。市場(chǎng)上某些型號(hào)的聚合物熔絲也有會(huì)閂鎖的版本。電子熔絲可設(shè)計(jì)成能夠提供閂鎖或復(fù)位功能。它們的設(shè)計(jì)也帶有自動(dòng)復(fù)位選項(xiàng)，如有需求也可提供。
9.尺寸：電子熔絲是所討論的這三類器件中所有尺寸參數(shù)都最小的器件。
10. U.L.認(rèn)證：市場(chǎng)上有多種UL認(rèn)證，大多數(shù)金屬熔絲應(yīng)用都通過UL認(rèn)證。某些聚合物熔絲有了UL認(rèn)證等級(jí)(rating)。目前，電子熔絲還沒有UL認(rèn)證等級(jí)。但是，半導(dǎo)體器件的功能不像金屬熔絲，不是諸如UL/CSA248-14這樣的熔絲認(rèn)證等級(jí)的候選者。
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電子熔絲的重要特性
1電流感測(cè)
電子熔絲與熱動(dòng)作類熔絲(即金屬熔絲和聚合物熔絲)的一項(xiàng)重要區(qū)別是其基于電流感測(cè)電路感測(cè)到的峰值電流而動(dòng)作，其動(dòng)作速度可為信號(hào)增加濾波器來(lái)減慢，但通常并不要求這樣做。
由于電子熔絲感測(cè)并響應(yīng)瞬態(tài)電流，高交流電平的負(fù)載應(yīng)當(dāng)集成某種程度的濾波。負(fù)載有大交流電成分并工作在與其他負(fù)載共用的總線時(shí)，無(wú)論使用的是哪種類型的熔絲器件，加入某種濾波是很好的設(shè)計(jì)習(xí)慣。大峰值電流會(huì)與總線及負(fù)載的其他雜散阻抗(strayimpedance)交互作用，可能導(dǎo)致其他負(fù)載上出現(xiàn)噪聲。
2雙電流限制
電子熔絲使用SENSEFETTM來(lái)開關(guān)電源、限制電流及監(jiān)測(cè)輸出電流。SENSEFET的優(yōu)勢(shì)是僅測(cè)量小部分的負(fù)載電流。沒有SENSEFET，全部負(fù)載電流將要流經(jīng)感測(cè)電阻，而這將需要大功率、極低阻抗的電阻。與價(jià)格不足1美分的小型片式電阻相比，這些電阻較昂貴。
SENSEFET包含較大及較小的MOSFET，它們位于相同裸片上，漏極、柵極相連。如果源極的電勢(shì)相同，這些FET將很好地共享電流。在SENSEFET中，測(cè)得流經(jīng)感測(cè)單元的電流，而感測(cè)電阻的壓降保持得越低越好，從而使源極接近相同的電勢(shì)，并使兩個(gè)器件的共享比例誤差極小。
圖1所示為限流所用基本電路的原理圖。主FET的漏極至源極有足夠的壓降時(shí)，電路就類似于兩個(gè)電流源，電流以與兩個(gè)FET相同的比例共享：本例中是1000：1。
本例中，1A的負(fù)載電流將觸發(fā)限流變壓器，并開始啟動(dòng)恒流工作模式。負(fù)載電流到達(dá)1A時(shí)，感測(cè)電流將是其1/1000，即1mA。流經(jīng)50Ω感測(cè)電阻的1mA電流將導(dǎo)致電阻出現(xiàn)50mV壓降，而這是限流放大器的閾值。這個(gè)模式稱作短路，因?yàn)樵诙搪窏l件下FET感測(cè)到明顯的電壓降。導(dǎo)通時(shí)，器件處于工作模式，因?yàn)檩敵鰹榈碗娖剑彝ǔＧ闆r下，這器件在為輸出電容充電時(shí)處于限流狀態(tài)。
圖1 采用SENSEFET感測(cè)電流
當(dāng)輸出電容充電完成時(shí)，電流急降，限流電路停止控制輸出。在這種條件下，F(xiàn)ET電壓極低，限流電路充當(dāng)分壓器。如果我們還是假設(shè)負(fù)載電流為1A，那么主FET的壓降就為50mV。電流感測(cè)放大器的輸入就是這電壓根據(jù)由感測(cè)單元(50Ω)和外部感測(cè)電阻(50Ω)構(gòu)成的分壓器按比例所分的電壓。所有電流變壓器上的輸入僅有25mV電壓，不足以激活放大器，且這器件沒有進(jìn)入限流狀態(tài)。
圖2展示NIS5132的一對(duì)曲線。導(dǎo)通較低的曲線時(shí)，激活的是短路曲線。一旦電流降低至低于這個(gè)電平，F(xiàn)ET就完全導(dǎo)通(線性區(qū)域)，接下來(lái)面對(duì)的就是過載電平。如果電流達(dá)到過載電平，F(xiàn)ET的柵驅(qū)動(dòng)將立即減小，而漏極至源極電壓將增加，并會(huì)將工作模式改為短路電平模式。這器件在過載電平時(shí)不能維持穩(wěn)態(tài)工作。
圖2 NIS5132的限流曲線
限流電路永遠(yuǎn)都不會(huì)關(guān)閉芯片，但只會(huì)降低輸出電壓。如果器件在芯片不能維持功率電平保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間段的限流，熱限制電路最終將關(guān)閉這器件。
使用電子熔絲
計(jì)算機(jī)總線是這些器件的極佳應(yīng)用領(lǐng)域。如果總線上的過載會(huì)導(dǎo)致連接到總線上的任何負(fù)載關(guān)閉，分布式電源架構(gòu)的可靠性就大打折扣。連接電路保護(hù)器件會(huì)大幅提升這類系統(tǒng)的可靠性。這并非新技術(shù)，但在過去，大多數(shù)方案采用金屬熔絲或聚合物熔絲，并結(jié)合或沒有合熔絲使用TVS器件。
這些器件的典型應(yīng)用包括風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、光盤驅(qū)動(dòng)器，以及通常從5V或12V總線消耗1A或更大電流的任何電路板。5V及12V電子熔絲都有供貨。
它們還可用于熱插撥應(yīng)用。電子熔絲的功能是積極地限流，而非簡(jiǎn)單地監(jiān)測(cè)電流并在預(yù)定的電平關(guān)閉電流。熱插撥應(yīng)用的一個(gè)例子是需要移除電源或硬盤驅(qū)動(dòng)器并插入熱總線的大型高可靠性計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。這些器件限制浪涌電流至低電平，使器件的輸入或輸出端都不會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)電壓。
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1基本工作原理
電子熔絲器件是電子熔絲，如果理解其基本工作原理的話，就簡(jiǎn)單易用。圖3顯示的是電子熔絲的系統(tǒng)級(jí)原理圖。圖中顯示了兩個(gè)器件(5V及12V)，它們連接至共用的啟動(dòng)及關(guān)閉電路。兩個(gè)器件都含低導(dǎo)通阻抗的垂直MOSFET，用于低損耗工作。
圖3 5V及12V熔絲的系統(tǒng)原理圖
電子熔絲最少需要1個(gè)外部元件。電流感測(cè)電阻是必需的，且必需選擇這電阻來(lái)設(shè)定限流至所期望的電平。可以增加其他元件來(lái)改變器件的功能。
這些元件有內(nèi)部壓擺率(dv/dt)控制電路，會(huì)在約1.5ms的時(shí)間間隔內(nèi)提升輸出電壓。在dv/dt引腳至地間增加外部電容還能延長(zhǎng)這時(shí)間。也能夠使用啟用(enable)引腳至地間的開漏極晶體管來(lái)控制這器件。
電子熔絲設(shè)計(jì)為默認(rèn)導(dǎo)通狀態(tài)。只有三種條件會(huì)導(dǎo)致它們關(guān)閉，否則FET會(huì)啟用。這些條件是：
①達(dá)到了熱限制值；
②輸入電壓不符合欠壓鎖定(UVLO)要求；
③啟用(enable)引腳拉至低電平。
如果上述條件一個(gè)都沒有符合，這器件將處理于導(dǎo)通狀態(tài)，為負(fù)載提供電流。
2過壓鉗位
過壓鉗位功能保護(hù)負(fù)載免受可能損害其電路的輸入瞬態(tài)的影響。輸出電壓達(dá)到電路設(shè)定點(diǎn)(12V器件的額定電壓為15V，5V器件的額定電壓為6.7V)，主FET的柵驅(qū)動(dòng)將減小，器件將充當(dāng)線性穩(wěn)壓器工作。只要未達(dá)到熱動(dòng)作限制值，這種工作模式就能夠無(wú)限地維持。過壓電路不會(huì)直接關(guān)閉器件。這特性使這芯片能夠保護(hù)負(fù)載免受過壓瞬態(tài)影響，同時(shí)使負(fù)載能持續(xù)工作。
圖4中，應(yīng)用了持續(xù)時(shí)間數(shù)毫秒(ms)的25V瞬態(tài)，輸出電壓鉗位至安全的電平。只要瞬態(tài)存在，這電路就一直鉗位，只是芯片耗散的功率會(huì)有不同。
圖4 12V電子熔絲對(duì)25V浪涌的瞬態(tài)響應(yīng)
3啟用(enable)電路
啟用電路使用戶能夠控制器件，并在發(fā)生熱關(guān)閉時(shí)提供信號(hào)。這是一種三態(tài)信號(hào)，同時(shí)發(fā)送及接收信息，能夠監(jiān)測(cè)這信號(hào)以檢測(cè)芯片的狀態(tài)。如果用戶選擇不用這個(gè)引腳，它只需保留在開路狀態(tài)，器件會(huì)自己控制。
圖5顯示的是這電路的信號(hào)電平，而圖6顯示的是等效原理圖。在正常工作中，內(nèi)部電流源將啟用引腳上拉至4.3V。如果發(fā)生熱故障，由于過大直流電流、限流或過壓保護(hù)原因，這器件將關(guān)閉，熱邏輯將把這信號(hào)下拉至1.6V電平。
圖5 啟用/故障信號(hào)電平
這電平能夠由微處理器或其他電路來(lái)監(jiān)測(cè)并提示發(fā)生了熱關(guān)閉。啟用引腳下拉至地時(shí)熱閂鎖會(huì)復(fù)位。熱釋放完畢后，芯片將重啟。
圖3所示電路中，二者的啟用引腳連接在一起。這些芯片的設(shè)計(jì)支持3個(gè)器件連接在一起，啟用引腳將使這些芯片能相互通信。如果任何一個(gè)芯片進(jìn)入熱關(guān)閉狀態(tài)，所有連接在一起的器件都將關(guān)閉，直到啟用引腳拉至低電平前。啟用引腳拉至低電平將會(huì)把熱過載的芯片上的閂鎖復(fù)位，且所有芯片都將同時(shí)導(dǎo)通。
4 dv/dt(slew率控制)電路
為了控制系統(tǒng)的導(dǎo)通浪涌電流及電子熔絲負(fù)載的電壓，集成了dv/dt電路來(lái)提升輸出電壓。控制輸出電容兩端電壓的dv/dt率會(huì)迫使恒定電流流動(dòng)，直至輸出電壓等于輸入電壓。
內(nèi)部電容設(shè)定5V電子熔絲的上升時(shí)間(ramptime)為1.4ms，而設(shè)定12V器件的上升時(shí)間為0.9ms。若有需要，在這引腳上增加額外的電容能延長(zhǎng)上升時(shí)間至數(shù)百毫秒。
5 UVLO
芯片的輸入處于安全范圍之前，內(nèi)部欠壓鎖定(UVLO)電路將關(guān)閉輸出。12V電子熔絲的UVLO設(shè)定為8.5V，而5V器件設(shè)定為3.6V。
6 熱保護(hù)
裸片上熱保護(hù)功能使這些器件極為堅(jiān)固。這功能監(jiān)測(cè)功率FET的溫度，并在溫度達(dá)到關(guān)閉點(diǎn)的事件中啟動(dòng)熱關(guān)閉。這就保證FET工作在安全區(qū)域(SOA)。結(jié)合這個(gè)功能及限流電路，這些器件唯一的失效模式就是超過額定輸入電壓。
圖6 啟用/故障內(nèi)部電路
目前的器件有熱閂鎖電路，在發(fā)生熱故障時(shí)會(huì)關(guān)閉器件。然后芯片能通過下拉啟用引腳至地并釋放熱，或是重新啟動(dòng)輸入電源來(lái)重啟。
在眾多應(yīng)用中，電子熔絲有明顯的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于較大電流的應(yīng)用，低導(dǎo)通阻抗垂直MOSFET的優(yōu)勢(shì)是設(shè)計(jì)人員在下一個(gè)設(shè)計(jì)中考慮選擇電子熔絲方案的另一個(gè)原因。
