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大电流应用中,电子熔断器为何比热熔断器更具优势?

时间:2021-05-24 作者:Bill Schweber 阅读:
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。因为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。
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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:TI)

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:TI)

我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。因为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?

(原文刊登于EDN美国版,参考链接:E-fuses: warming up to higher-current applications

本文转自《电子技术设计》网站

责编:Amy Guan

本文为EET电子工程专辑 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Bill Schweber
EE Times/EDN/Planet Analog资深技术编辑。Bill Schweber是一名电子工程师,他撰写了三本关于电子通信系统的教科书,以及数百篇技术文章、意见专栏和产品功能介绍。在过去的职业生涯中,他曾担任多个EE Times子网站的网站管理者以及EDN执行编辑和模拟技术编辑。他在ADI公司负责营销传播工作,因此他在技术公关职能的两个方面都很有经验,既能向媒体展示公司产品、故事和信息,也能作为这些信息的接收者。在担任ADI的marcom职位之前,Bill曾是一名备受尊敬的技术期刊副主编,并曾在其产品营销和应用工程团队工作。在担任这些职务之前,他曾在英斯特朗公司(Instron Corp., )实操模拟和电源电路设计以及用于材料测试机器控制的系统集成。他拥有哥伦比亚大学电子工程学士学位和马萨诸塞大学电子工程硕士学位,是注册专业工程师,并持有高级业余无线电执照。他还在计划编写和介绍了各种工程主题的在线课程,包括MOSFET基础知识,ADC选择和驱动LED。
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