確保緊湊、靈活和精確的電路保護達到 IEC 和 UL 安全標準

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

在 USB Type-C? 交流 (AC) 適配器、網(wǎng)絡設備以及消費和工業(yè)電子產(chǎn)品等應用中，需要為設備和終端用戶提供保護，以防止?jié)撛谄茐男噪妷骸?a href="http://srfitnesspt.com/tags/電流/" target="_blank">電流和溫度條件出現(xiàn)。使用傳統(tǒng)的保險絲或正溫度系數(shù)熱敏電阻 (PTC) 可以提供緊湊的解決方案和某些保護。然而，越來越多的應用需要更高級別的保護和更大的靈活性，包括更快的響應時間和可編程、可復位的過壓保護 (OVP)、過流保護 (OCP)、欠壓鎖定 (UVLO)、過熱保護 (OTP)、軟啟動和/或反向電流阻斷 (RCB)。在使用 USB Type-C 交流適配器時，也有必要支持符合 USB 供電規(guī)范中所定義時序要求的快速角色交換 (FRS)。

設計保護電路來實現(xiàn)所有這些功能是可能的，但設計過程需要時間。而且，獲得 UL 或 IEC 62368-1 安全認證可以進一步加快上市速度。此外，使用分立元件的解決方案會增加整體解決方案封裝尺寸。

為了快速實現(xiàn)緊湊而準確的符合 UL 和 IEC 安全標準的保護功能，設計人員可以使用電子熔斷器穩(wěn)壓器。這些集成式保護 IC 具有可編程保護閾值，可實現(xiàn)設計靈活性，且保護狀態(tài)既可以鎖定，也可以在故障排除后具有自動恢復。它們“導通”電阻低，可最大限度地提高效率，且可以軟啟動，以盡量減少浪涌電流。有些型號包括認證的 FRS 功能，用于 USB Type-C 交流適配器。

本文對電子熔斷器進行了介紹，包括額定電壓和電流以及典型應用。然后探討一下如何實現(xiàn)保護功能，包括 OCP、軟啟動、OVP、UVLO 和 OTP。文章最后介紹了 [Littelfuse] 針對特定應用優(yōu)化的一系列[電子熔斷器 IC]，以及為加快上市速度而進行的系統(tǒng)集成考慮。

電子熔斷器選擇標準

特定應用的電子熔斷器要求與系統(tǒng)的工作電壓和電流密切相關。對于最高約 5 伏直流 (V DC ) 輸入和 2 安培 (A) 電流的低電壓和低電流系統(tǒng)，通常需要對熱插拔事件進行 OCP、OTP、UVLO 和浪涌電流抑制 (dV/dt) 保護。對于電流在 2 至 6 A 之間、輸入電壓最高 24 VDC 的應用，通常需要 OVP、限流/OCP 以及“電源良好”信號。使用電流計時器和監(jiān)控器進行系統(tǒng)監(jiān)控以及使用 OCP 和 RCB，在使用 6 A 及以上電流和 24 VDC 及以上電壓的應用中很常見（圖 1）。

圖 1：電子熔斷器的特征集與應用的輸入電壓（橫軸）和輸入電流（縱軸）密切相關。（圖片來源：Littelfuse）

電流保護和軟啟動

過大的電流會導致電子元件超過其額定工作溫度，損害性能并減少壽命。電流保護電路監(jiān)測電流 (I)，如果它超過了 "I-limit" 的設定水平，即高于額定的 "Iout" 工作電流，輸入電流首先被調節(jié)到一個固定的水平，持續(xù)數(shù)微秒 (μs)，然后自動降低到一個安全水平。根據(jù)所使用的電子熔斷器，I-limit 可以是固定的或可編程的。當發(fā)生過電流時，電子熔斷器會將輸入電流降低一個固定的時間（通常是幾毫秒 (ms)），然后再恢復，以查看故障是否已被清除。

如果故障仍然存在，它將再次自動調節(jié)并降低電流，等待幾毫秒，然后重新啟動。減少電流并重新啟動直到故障消除的序列，有時稱為“打嗝模式”保護。在發(fā)生短路的情況下，輸入電流會迅速上升，而電子熔斷器會立即將輸入電流降低到安全水平（圖 2）。

圖 2：電子熔斷器包括具有自動重試功能的電流限制功能，以防止負載電流過高并進行短路保護。（圖片來源：Littelfuse）

軟啟動限制了設備開啟時的浪涌電流。在沒有軟啟動的情況下，對電流的唯一限制是印刷電路板印制線和元件的相對低阻抗。高浪涌電流會損壞電源電路或元件。軟啟動會慢慢打開電子熔斷器，提供壓擺率控制并限制浪涌電流（圖 3）。軟啟動率可以是固定的或可編程的。

圖 3：電子熔斷器中的軟啟動可以防止?jié)撛诘挠泻擞侩娏鳎⑶铱晒潭ɑ蚩删幊?。（圖片來源：Littelfuse）

UVLO 和 OVP

電壓過高或過低也會導致系統(tǒng)故障和可能的損壞。如果輸入電壓低于預設閾值，電子熔斷器中的欠壓鎖定 (UVLO) 功能可防止器件工作。此外，如果輸入電壓上升得太慢，或者電源有很大的內阻（如電池），電壓會隨著負載電流的上升而下降，導致電壓反復跨越 UVLO 閾值。當這種情況發(fā)生時，UVLO 功能會進入振蕩狀態(tài)。使用具有約 150 至 300 毫伏 (mV) 滯后的 UVLO 電路可以消除振蕩并確保 UVLO 功能的平穩(wěn)運行。

OVP 保護設備免受過高電壓的壓力或損壞。當檢測到過壓情況時，電子熔斷器立即箝制電壓以保護系統(tǒng)，然后關斷。它還通過一個內部電阻器將輸出電容對地放電。當電壓下降到指定值時，電子熔斷器會自動導通（圖 4）。OVP 閾值可以是固定的或可編程的。

圖 4：當輸入電壓達到 OVP 箝位值時，它會被阻止繼續(xù)上升，并且電子熔斷器會關斷輸出以保護系統(tǒng)。（圖片來源：Littelfuse）

熱保護

溫度過高也會導致設備損壞或功能失常，因此電子熔斷器包括了一個內部溫度傳感器。OTP 通常用一個兩階段過程來實現(xiàn)。首先是熱調節(jié)溫度，通常在 125°C 左右，在這個溫度，電子熔斷器會限制電流，試圖阻止溫度上升。如果溫度繼續(xù)上升，并且器件結溫超過熱關斷閾值 (TSHDN)，通常在 140°C 左右，則電子熔斷器會關斷。OTP 還包括滯后性，當內部溫度低于 TSHDN 20°C 時，電子熔斷器將重新啟動（圖 5）。

圖 5：OTP 有一定溫度滯后，只有溫度下降到預先確定的程度，才會重新啟動電子熔斷器。（圖片來源：Littelfuse）

用于電池供電型設備的緊湊型 5 伏電子熔斷器

藍牙耳機、可穿戴設備、平板電腦和其他適配器供電型設備的設計人員可以使用采用 DFN2X2_8L 封裝的 5 伏、5 A 級 [LS0505EVD22]，以及采用 SOT23_3L 封裝的 5 伏、4 A 級 [LS0504EVT233]，以獲得提供 OVP、OCP 和軟啟動的緊湊解決方案（圖 6）。內部開關的 50 毫歐 (mΩ) 導通電阻會將功率耗散降至最低。在電壓過高的情況下，OVP 會立即做出反應，對輸出電容進行放電。電流限制閾值通過一個外部電阻器設置，OCP 在過流或短路條件下以打嗝模式運行。自動軟啟動功能提供平穩(wěn)的電壓上升，將浪涌電流限制在一個安全水平。

圖 6：LS0504EVT233 電子熔斷器采用緊湊的 SOT23 封裝，適合空間有限的應用。（圖片來源：Littelfuse）

18 伏/5 A 電子熔斷器

LS1205E 系列電子熔斷器的工作電壓范圍為 2.7 至 18 V DC ，額定電流為 5 A，適用于硬盤驅動器、固態(tài)磁盤驅動器以及連接筆記本電腦和網(wǎng)絡設備的適配器供電型設備。這些電子熔斷器具有一個導通電阻為 25 mΩ 的開關，采用 10 引線 DFN3×3 封裝。它們包括可編程軟啟動時間、最高 5A 的可編程電流限制閾值、短路保護、UVLO 和折返式 OTP。有兩種型號可供選擇：

[LS1205EV] 包括三個可選擇的輸入電壓范圍。輸出箝位電壓和欠壓鎖定閾值取決于所選的輸入電壓范圍。

[LS1205EF]包括一個開漏故障指示器功能，可以發(fā)出 UVLO、OVP、短路和熱關斷故障發(fā)生的信號。

帶 RCB 和 FRS 的 28 伏電子熔斷器

需要 Thunderbolt 或 USB Type-C PD 功能的筆記本和平板電腦、塢站和網(wǎng)絡設備的設計人員可以使用 [LS2406ERQ23]28 伏 6 A 電子熔斷器穩(wěn)壓器，其中包括了 OCP、OVP、短路、軟啟動和 OTP（圖 7）。電源開關的導通電阻為 24 mΩ，以盡量減少正常工作期間的功率耗散，OCP、OVP 和軟啟動功能是可編程的，OTP 包括器件冷卻時的自動恢復。這種電子熔斷器的特點是無論啟用信號 (EN) 的邏輯狀態(tài)如何，RCB 功能始終處于開啟狀態(tài)。FRS 和集成的輸入和輸出放電功能均符合 USB PD 規(guī)范。

LS2406ERQ23 采用扁平 16 引線 QFN 2.5 毫米 (mm) x 3.2 mm 封裝，按照 UL/CSA 62368-1 進行了 UL 認證。

圖 7：適合 USB Type-C PD 應用、支持反向電流阻斷和 FRS 的 LS2406ERQ23 電子熔斷器的典型應用。（圖片來源：Littelfuse）

電路板布局指南

對于 LS1205E 系列，以及 LS0505EVD22 和 LS0504EVT233，這里有一些一般的電路板布局考量，才能幫助確保實現(xiàn)成功。

• 應在 IN 端和接地 (GND) 之間以及 OUT 端和 GND 之間放置一個 0.1 微法拉 (μF) 或更大的陶瓷去耦電容器。當輸入電源路徑的電感可以忽略不計時，例如在熱插拔應用中，這個電容器可能沒有必要。
• 去耦電容應盡可能地靠近 IN、OUT 和 GND 端，并且必須盡量減少連接所形成的回路面積。
• 大電流電源印制線的尺寸應至少是最大預期電流的兩倍，并應盡可能短。
• 電子熔斷器的 GND 端必須直接連接到印刷電路板的地平面。印刷電路板的地平面應該是一個島狀或銅質平面。

對于 LS1205E 系列來說：將所有支持元件，如 RILIM 、電容器 SS (CSS) 和用于 EN 的電阻，盡可能地靠近相應的連接引腳，并使用盡可能短的印制線長度將元件的另一端連接到 GND。印制線的放置應防止耦合到印刷電路板上的任何開關信號，RILIM 和 CSS 元件的線路長度應盡可能短，以盡量減少寄生效應對電流限制設置和軟啟動時序的影響。

對于 LS2406ERQ23，請參考規(guī)格書了解與 USB Type-C 電纜短路保護和 FRS 元件有關的布局考量。

結語

為了同時保護用戶和設備，并滿足適用的標準，設計人員可以使用集成保護電子熔斷器穩(wěn)壓器，來提供包括 OVP、OCP、ULVO、OTP 和反向電流阻斷在內的各種功能。電子熔斷器具有可編程的保護閾值和復位能力，支持設計的靈活性，同時還具有低“導通”電阻開關，以最大限度地提高效率，并包括軟啟動以盡量減少浪涌電流。有些型號還包括認證的 FRS 和 RCB，用于 USB Type-C 交流適配器。