電子熔斷器受大電流應用青睞

作者 : Bill Schweber,資深技術編輯

從概念上講,電子熔斷器是種簡單的電路;由於它可以測量電流,而不依賴於加熱和隨之而來的串聯元件的開路,因此具有獨特的優勢,為限制電流和切斷電流提供了另一種方法…

作為一名謹慎的類比工程師,我一直喜歡傳統的熱熔斷器,而對於電子熔斷器(簡寫為e-fuse或eFuse,亦稱為保險絲),由於其使用了主動元件而有所懷疑。畢竟,在可靠性方面,越簡單越好,沒有什麼在功能上比熱熔斷器更簡單的了。我並不是要在技術上貶損它們,相反,它們實際上包含了先進的科技材料,只不過它們的功能很簡單。

面對現實吧:標準熔斷器用來做一件事情,做得很好,並且是在一組給定的規格內以完全定義、永遠不變的方式來做。由於它們不存在鈎子或把手之類的零件,因此不會弄亂(圖1)。只要指定了合適的熔斷器參數——額定電流、延遲、材料、物理尺寸——就不會弄錯。我知道,每個人都有可能遇到熔斷器沒有依照預期動作的情況,但那畢竟非常罕見。英語中還有個有趣的怪事是:「fuse(熔斷器)」會在過電流下斷開,而「to fuse(融合)」則是指將兩種材料結合在一起。

圖1 熱熔斷器有三種常用的原理圖符號;這種兩端被動元件的原理圖和功能都很簡單,這是其主要優點。(圖片來源:quora.com)

然而,熱熔斷器有幾個缺點,首先就是反應時間。取決於與閾值相比的過電流值,其發生反應和斷開電路可能需要數十毫秒到數十秒的時間。在當今的低電壓設計中,過電流通常是個適中的值,因此熔斷器的反應時間可能太慢,而無法保護敏感電路。同樣,標準熔斷器在斷開後必須進行物理更換,這在許多(但不是全部)應用中都是個不利因素。

從概念上講,電子熔斷器是種簡單的電路;由於它可以測量電流,而不依賴於加熱和隨之而來的串聯元件的開路,因此具有獨特的優勢,為限制電流和切斷電流提供了另一種方法。它由幾個類比元件構成:一個精密的電流檢測電阻器;一個具有精確比例電阻的放大器,用於擷取和「增大」電阻兩端的電壓;一個比較器電路,用來在預設值處進行「開關」,以及一個MOSFET,用來提供/斷開被監控線路中的電流路徑(圖2)。

圖2 典型電子熔斷器的基本框架圖,由此可知其非常簡單、易於連接。(圖片來源:德州儀器)

電路功能相當簡單。通常,選擇電阻的值時,應使其在最大電流下的壓降在50~100mV之間。電子熔斷器連接在電源軌(或電源)和要保護的負載之間,要監視的電流流經電阻並在其兩端產生電壓,電流檢測放大器(CSA)檢測該電壓並對其進行縮放。

儘管可以透過單獨的元件建構電子熔斷器,但大多數使用者都選擇完整、基於IC的電子熔斷器,其中整合了包括FET在內的必要電路(圖3),有些甚至還具有內部檢測電阻。其他基於IC的電子熔斷器還包括其他功能,例如用戶可程式設計的欠壓鎖定、過壓鉗位和自動重試,以及可以透過外部元件設置的啟動時間。最後一項功能對於在啟動和熱插拔操作期間控制浪湧電流很有用,因此它們在這種應用中得到了廣泛採用。

圖3 具有附加功能的電子熔斷器利用簡單的外部被動元件進行程式設計,其他電子熔斷器還具有其他功能。(圖片來源:德州儀器)

我對電子熔斷器的最初感覺是,它們可以在盡可能低的電流/電壓電路中發揮作用。我不確定它們是否適合需要UL和國際電工委員會(IEC)認證的更高範圍的應用,而熱熔斷器對於這些應用卻是一種公認的保護手段。

這就是我對德州儀器(TI)發佈的筆記「eFuse: Safety Certification and why it Matters (eFuse:安全認證及其重要性)」感興趣的原因。這個筆記討論了電子熔斷器如何能夠符合UL/IEC認證流程,以及為什麼它們在合適的條件下適用。這些認證要求是如此複雜,有許多條款、任務、例外和規則,以至於任何博學的建議都受到歡迎,並且任何元件如果能借此跳過過程中的一步都是一件好事。

這個簡要筆記解釋了電子熔斷器在這些安規方面的細節,同時也讓我想起一個很容易被忽略的要點:熔斷器可以防止過電流情況及其對系統和人員造成的風險。即使我們會不知不覺地將「危險」與120/240V的市電電壓及其可能傳輸的大量電流聯繫在一起,但它們也不是用於高壓保護。這一筆記列出了各種正規的電子熔斷器,最高規格達到6A時4.5~60V——顯然不是市電電壓,但仍然是相當大的電流和兩位元數的電壓。防止高壓事件並不是熔斷器的任務,而是壓敏電阻(MOV)、火花間隙和其他元件的作用。

現實情況是,電子熔斷器與熱熔斷器相比有明顯的不同,並且它們通常都是有益的:精確的電流現制、更快的反應時間,以及故障排除後可自我修復和恢復連接(取決於電子熔斷器型號)。在許多設計情況下,有必要認真考慮使用電子熔斷器代替傳統的熱敏元件。

但是,電子熔斷器遠非簡單、極其可靠、功能有限的熱熔斷器。儘管很簡單,但它是一種主動元件。也許某些設計需要同時使用電子熔斷器和熱熔斷器來獲得最大信心,這是一種小心謹慎的方法。

但是,這是否表示設計人員做事小心謹慎,還是設計人員對故障分析缺乏信心,而後採取的保護方案?你對在大電流應用中使用電子熔斷器有何看法?

(參考原文:E-fuses: warming up to higher-current applications,by Bill Schweber)

 

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