電子熔絲在計(jì)算機(jī)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)

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(guò)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(wèn)題常見(jiàn)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(kāi)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(méi)有固有的耗損(wear-out)問(wèn)題。測(cè)試顯示，它們經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)次工作周期都沒(méi)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(guò)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?/p>

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(guò)壓保護(hù)電路，而這個(gè)功能本質(zhì)上沒(méi)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(guò)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(méi)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/CSA 248-14這樣的熔絲認(rèn)證等級(jí)的候選者。

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(stray impedance)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(kāi)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(méi)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1 000：1。本例中，1A的負(fù)載電流將觸發(fā)限流變壓器，并開(kāi)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1/1 000，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?，而且通常情況下，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(méi)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(guò)載電平。如果電流達(dá)到過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)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(pán)驅(qū)動(dòng)器、光盤(pán)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(pán)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。