原標(biāo)題：確保緊湊、靈活和準(zhǔn)確的電路保護(hù)，符合 IEC 和 UL 安全標(biāo)準(zhǔn)

　　在 USB Type-C? 交流 (AC) 適配器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及消費(fèi)和工業(yè)電子產(chǎn)品等應(yīng)用中，需要為設(shè)備和最終用戶提供保護(hù)，防止?jié)撛诘钠茐男噪妷骸㈦娏骱蜏囟葪l件。使用傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲或正溫度系數(shù)熱敏電阻(PTC)可以提供緊湊的解決方案和一些保護(hù)。然而，越來(lái)越多的應(yīng)用需要更高水平的保護(hù)和更大的靈活性，包括更快的響應(yīng)時(shí)間以及可編程和可復(fù)位的過(guò)壓保護(hù)(OVP)、過(guò)流保護(hù)(OCP)、欠壓鎖定(UVLO)、過(guò)熱保護(hù)(OTP)、軟啟動(dòng)和/或反向電流阻斷(RCB)。對(duì)于USB C型交流適配器， 還需要支持符合 USB 供電規(guī)范中定義的計(jì)時(shí)要求的快速角色交換 (FRS)。

　　可以設(shè)計(jì)保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)所有這些功能，但設(shè)計(jì)過(guò)程需要時(shí)間。此外，獲得 UL 或 IEC 62368-1 安全認(rèn)可可以進(jìn)一步延長(zhǎng)上市時(shí)間。此外，使用分立元件的解決方案會(huì)增加整體解決方案的占用空間。

　　為了快速實(shí)現(xiàn)符合 UL 和 IEC 安全標(biāo)準(zhǔn)的緊湊而準(zhǔn)確的保護(hù)功能，設(shè)計(jì)人員可以求助于 eFuse 穩(wěn)壓器。這些集成保護(hù)IC具有可編程保護(hù)閾值，以支持設(shè)計(jì)靈活性，并且保護(hù)可以是閉鎖的，也可以在故障消除時(shí)自動(dòng)恢復(fù)。它們具有低“導(dǎo)通”電阻，可最大限度地提高效率，并包括軟啟動(dòng)以最大程度地減少浪涌電流。某些型號(hào)包括經(jīng)過(guò)認(rèn)證的 FRS 功能，可用于 USB C 型交流適配器。

　　本文介紹了電子保險(xiǎn)絲，包括電壓和電流額定值以及代表性應(yīng)用。然后，它著眼于如何實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，包括 OCP、軟啟動(dòng)、OVP、UVLO 和 OTP。它通過(guò)展示一系列 電子保險(xiǎn)絲集成電路 從 利特爾保險(xiǎn)絲 針對(duì)特定應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，并考慮了系統(tǒng)集成問(wèn)題，以加快上市時(shí)間。

　　電子保險(xiǎn)絲選擇標(biāo)準(zhǔn)

　　給定應(yīng)用的電子保險(xiǎn)絲要求與系統(tǒng)的工作電壓和電流密切相關(guān)。對(duì)于低電壓和低電流系統(tǒng)，直流電壓高達(dá) 5 伏 (V直流) 輸入和 2 安培 (A) 電流，通常需要用于熱插拔和熱插拔事件的 OCP、OTP、UVLO 和浪涌電流抑制 (dV/dt) 等功能。適用于功耗在 2 至 6 A 之間，輸入電壓高達(dá) 24 V 的應(yīng)用直流、OVP、限流/OCP 和“電源良好”信號(hào)。用于系統(tǒng)監(jiān)控以及 OCP 和 RCB 的電流定時(shí)器和監(jiān)視器在使用 6 A 及更高電壓且電壓為 24 V 的應(yīng)用中很常見(jiàn)直流 和更高(圖1)。

　　圖 1：電子保險(xiǎn)絲功能集與應(yīng)用的輸入電壓(水平軸)和輸入電流(垂直軸)密切相關(guān)。(圖片來(lái)源：Littelfuse)

　　電流保護(hù)和軟啟動(dòng)

　　過(guò)大的電流會(huì)導(dǎo)致電子元件超過(guò)其額定工作溫度，從而損害性能并縮短使用壽命。電流保護(hù)電路監(jiān)控電流(I)，如果超過(guò)高于額定“Iout”工作電流的“I-limit”設(shè)定電平，則首先將輸入電流調(diào)節(jié)在固定電平上幾微秒(μs)，然后自動(dòng)降低到安全電平。根據(jù)所使用的電子保險(xiǎn)絲，I 限值可以是固定的，也可以是可編程的。當(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)，電子保險(xiǎn)絲會(huì)在固定時(shí)間內(nèi)(通常為幾毫秒 (ms))降低輸入電流，然后重新打開以查看故障是否已清除。

　　如果故障仍然存在，它將再次自動(dòng)調(diào)節(jié)并降低電流，等待幾毫秒，然后重新啟動(dòng)。降低電流并重新啟動(dòng)直至故障消除的順序有時(shí)稱為“打嗝模式”保護(hù)。在短路情況下，輸入電流上升非?？欤娮颖ｋU(xiǎn)絲會(huì)立即將輸入電流降低到安全水平(圖 2)。

　　圖 2：電子保險(xiǎn)絲包括具有自動(dòng)重試功能的電流限制功能，可防止負(fù)載電流過(guò)大和短路保護(hù)。(圖片來(lái)源：Littelfuse)

　　軟啟動(dòng)可限制器件開啟時(shí)的浪涌電流。如果沒(méi)有軟啟動(dòng)，對(duì)電流的唯一限制是印刷電路板(印刷電路板)走線和元件的阻抗相對(duì)較低。高浪涌電流會(huì)損壞電源電路或組件。軟啟動(dòng)緩慢打開電子保險(xiǎn)絲，提供壓擺率控制并限制浪涌電流(圖 3)。軟啟動(dòng)速率可以是固定的，也可以是可編程的。

　　圖 3：電子保險(xiǎn)絲中的軟啟動(dòng)可防止?jié)撛谟泻Φ睦擞侩娏鳎⑶铱梢怨潭ɑ蚩删幊獭?圖片來(lái)源：Littelfuse)

　　UVLO 和 OVP

　　電壓過(guò)高或過(guò)少也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障和可能的損壞。電子保險(xiǎn)絲中的 UVLO 可防止設(shè)備在輸入電壓低于預(yù)設(shè)閾值時(shí)工作。此外，如果輸入電壓上升太慢，或者電源具有明顯的內(nèi)阻(如電池)，則電壓會(huì)隨著負(fù)載電流的上升而下降，導(dǎo)致電壓反復(fù)超過(guò)UVLO閾值。發(fā)生這種情況時(shí)，UVLO功能可以進(jìn)入振蕩狀態(tài)。使用遲滯(滯后)約為 150 至 300 毫伏 (mV) 的 UVLO 電路可以消除振蕩并確保 UVLO 功能的平穩(wěn)運(yùn)行。

　　OVP 可保護(hù)設(shè)備免受過(guò)高電壓的壓力或損壞。當(dāng)檢測(cè)到過(guò)壓情況時(shí)，電子保險(xiǎn)絲會(huì)立即箝位電壓以保護(hù)系統(tǒng)，然后關(guān)閉。它還通過(guò)一個(gè)內(nèi)部電阻將輸出電容放電至地。當(dāng)電壓降至指定值時(shí)，電子保險(xiǎn)絲自動(dòng)導(dǎo)通(圖 4)。OVP 閾值可以是固定的，也可以是可編程的。

　　圖 4：當(dāng)輸入電壓達(dá)到 OVP 箝位值時(shí)，可以防止其進(jìn)一步上升，并且 eFuse 關(guān)閉輸出以保護(hù)系統(tǒng)。(圖片來(lái)源：Littelfuse)

　　熱保護(hù)

　　溫度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞或功能不當(dāng)，因此電子保險(xiǎn)絲包括一個(gè)內(nèi)部溫度傳感器。OTP 通常分兩個(gè)階段實(shí)施。首先是熱調(diào)節(jié)溫度，通常在 125°C 左右，此時(shí)電子保險(xiǎn)絲會(huì)限制電流以試圖阻止溫升。如果溫度繼續(xù)升高，并且器件結(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷閾值 (TSHDN)(通常在 140°C 左右)，則電子保險(xiǎn)絲關(guān)閉。 OTP 還包括遲滯，當(dāng)內(nèi)部溫度降至 TSHDN 以下 20°C 時(shí)，電子保險(xiǎn)絲將重新啟動(dòng)(圖 5)。

　　圖 5：OTP 包括遲滯，一旦溫度下降預(yù)定量，就會(huì)重新啟動(dòng)電子保險(xiǎn)絲。(圖片來(lái)源：Littelfuse)

　　用于電池供電設(shè)備的緊湊型 5 伏電子保險(xiǎn)絲

　　藍(lán)牙耳機(jī)、可穿戴設(shè)備、平板電腦和其他適配器供電設(shè)備的設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向 5 伏、5 A 額定電流 LS0505EVD22 采用DFN2X2_8L封裝，5 V、4 A 額定電流 LS0504EVT233 采用SOT23_3L封裝，用于提供 OVP、OCP 和軟啟動(dòng)的緊湊型解決方案(圖 6)。內(nèi)部開關(guān)的 50 毫歐 (mΩ) 導(dǎo)通電阻可最大限度地降低功耗。如果電壓過(guò)高，OVP 會(huì)立即做出反應(yīng)，并對(duì)輸出電容器放電。電流限制門限由一個(gè)外部電阻器設(shè)置，OCP 在過(guò)流或短路條件下以打嗝模式工作。自動(dòng)軟啟動(dòng)功能提供平穩(wěn)的電壓斜坡上升，將浪涌電流限制在安全水平。

　　圖 6：LS0504EVT233 電子保險(xiǎn)絲采用緊湊型 SOT23 封裝，適用于空間受限的應(yīng)用。(圖片來(lái)源：Littelfuse)

　　18 伏 / 5 個(gè)電子保險(xiǎn)絲

　　LS1205E 系列電子保險(xiǎn)絲的工作電壓范圍為 2.7 至 18 V直流，額定電流為 5 A，適用于硬盤驅(qū)動(dòng)器、固態(tài)磁盤驅(qū)動(dòng)器和適配器供電的設(shè)備，如筆記本電腦和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。這些電子保險(xiǎn)絲具有導(dǎo)通電阻為 25 mΩ 的開關(guān)，采用 10 引腳 DFN3×3 封裝。它們包括可編程軟啟動(dòng)時(shí)間、高達(dá) 5 A 的可編程電流限制閾值、短路保護(hù)、UVLO 和折返 OTP。有兩種型號(hào)可供選擇：

　　這 LS1205EV 包括三個(gè)可選輸入電壓范圍。輸出箝位電壓和 UVLO 閾值基于所選輸入電壓范圍。

　　這 LS1205EF 包括漏極開路故障指示器功能，可發(fā)出 UVLO、OVP、短路和熱關(guān)斷故障的信號(hào)。

　　帶 RCB 和 FRS 的 28 伏電子保險(xiǎn)絲

　　筆記本電腦和平板電腦、擴(kuò)展塢和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的設(shè)計(jì)人員需要具有 RCB 和 FRS 的 Thunderbolt 或 USB Type-C PD 功能，可以轉(zhuǎn)向 LS2406ERQ23 28 伏、6 A 電子保險(xiǎn)絲穩(wěn)壓器，包括過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)、短路、軟啟動(dòng)和 OTP(圖 7)。電源開關(guān)的導(dǎo)通電阻為 24 mΩ，可在正常工作期間最大限度地降低功耗，OCP、OVP 和軟啟動(dòng)功能可編程，OTP 包括器件冷卻時(shí)的自動(dòng)恢復(fù)。此電子保險(xiǎn)絲具有始終接通的 RCB 功能，與使能信號(hào) (EN) 邏輯狀態(tài)無(wú)關(guān)。FRS 和集成的輸入和輸出放電功能符合 USB PD 規(guī)范。

　　LS2406ERQ23 采用扁平 16 引腳 QFN 2.5 毫米 (mm) x 3.2 mm 封裝，并通過(guò) UL/CSA 62368-1 認(rèn)證。

　　圖 7：LS2406ERQ23 電子保險(xiǎn)絲的典型應(yīng)用，支持反向電流阻斷和 FRS，適用于 USB C 型 PD 應(yīng)用。(圖片來(lái)源：Littelfuse)

　　主板布局指南

　　對(duì)于 LS1205E 系列以及 LS0505EVD22 和 LS0504EVT233，以下是一些有助于確保成功實(shí)施的一般電路板布局注意事項(xiàng)：

　　應(yīng)在IN端子和接地(GND)之間以及OUT端子和GND之間放置一個(gè)0.1微法拉(μF)或更大的陶瓷去耦電容。當(dāng)輸入電源路徑電感可以忽略不計(jì)時(shí)，例如在熱插拔應(yīng)用中，可能不需要該電容器。

　　去耦電容應(yīng)盡可能靠近IN、OUT和GND端子放置，并且必須盡量減少連接形成的環(huán)路面積。

　　高安培數(shù)電源走線的尺寸應(yīng)至少為最大預(yù)期電流的兩倍，并應(yīng)盡可能短。

　　電子保險(xiǎn)絲的 GND 端子必須直接連接到印刷電路板接地層。印刷電路板的接地層應(yīng)為孤島或銅層。

　　僅適用于 LS1205E 系列：找到所有支持組件，如 R伊利姆、電容器 SS (CSS) 和 EN 電阻，盡可能靠近相應(yīng)的連接引腳，并使用盡可能短的走線長(zhǎng)度將元件的另一側(cè)連接到 GND。應(yīng)放置走線以防止耦合到印刷電路板上的任何開關(guān)信號(hào)，以及R的走線長(zhǎng)度伊利姆 CSS組件應(yīng)盡可能短，以盡量減少寄生效應(yīng)對(duì)電流限制設(shè)置和軟啟動(dòng)時(shí)序的影響。

　　對(duì)于 LS2406ERQ23，請(qǐng)參閱數(shù)據(jù)表，了解與 USB Type-C 電纜短路保護(hù)和 FRS 組件相關(guān)的布局注意事項(xiàng)。

　　結(jié)論

　　為了保護(hù)用戶和設(shè)備，并滿足適用的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員可以求助于集成保護(hù) eFuse 穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器提供各種功能，包括 OVP、OCP、ULVO、OTP 和反向電流阻斷。eFuse 具有可編程保護(hù)閾值和復(fù)位功能，支持設(shè)計(jì)靈活性，同時(shí)還具有低“導(dǎo)通”電阻開關(guān)，以最大限度地提高效率，并包括軟啟動(dòng)以最大限度地減少浪涌電流。某些型號(hào)包括經(jīng)過(guò)認(rèn)證的 FRS 和 RCB，用于 USB C 型交流適配器。