確保緊湊、靈活和精確的電路保護(hù)達(dá)到 IEC 和 UL 安全標(biāo)準(zhǔn)

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(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)備和終端用戶提供保護(hù)，以防止?jié)撛谄茐男噪妷骸?a href="http://ttokpm.com/tags/電流/" target="_blank">電流和溫度條件出現(xiàn)。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某些保護(hù)。然而，越來(lái)越多的應(yīng)用需要更高級(jí)別的保護(hù)和更大的靈活性，包括更快的響應(yīng)時(shí)間和可編程、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)。在使用 USB Type-C 交流適配器時(shí)，也有必要支持符合 USB 供電規(guī)范中所定義時(shí)序要求的快速角色交換 (FRS)。

設(shè)計(jì)保護(hù)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)所有這些功能是可能的，但設(shè)計(jì)過(guò)程需要時(shí)間。而且，獲得 UL 或 IEC 62368-1 安全認(rèn)證可以進(jìn)一步加快上市速度。此外，使用分立元件的解決方案會(huì)增加整體解決方案封裝尺寸。

為了快速實(shí)現(xiàn)緊湊而準(zhǔn)確的符合 UL 和 IEC 安全標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)功能，設(shè)計(jì)人員可以使用電子熔斷器穩(wěn)壓器。這些集成式保護(hù) IC 具有可編程保護(hù)閾值，可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)靈活性，且保護(hù)狀態(tài)既可以鎖定，也可以在故障排除后具有自動(dòng)恢復(fù)。它們“導(dǎo)通”電阻低，可最大限度地提高效率，且可以軟啟動(dòng)，以盡量減少浪涌電流。有些型號(hào)包括認(rèn)證的 FRS 功能，用于 USB Type-C 交流適配器。

本文對(duì)電子熔斷器進(jìn)行了介紹，包括額定電壓和電流以及典型應(yīng)用。然后探討一下如何實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，包括 OCP、軟啟動(dòng)、OVP、UVLO 和 OTP。文章最后介紹了 [Littelfuse] 針對(duì)特定應(yīng)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(jìn)行的系統(tǒng)集成考慮。

電子熔斷器選擇標(biāo)準(zhǔn)

特定應(yīng)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(guān)。對(duì)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(duì)熱插拔事件進(jìn)行 OCP、OTP、UVLO 和浪涌電流抑制 (dV/dt) 保護(hù)。對(duì)于電流在 2 至 6 A 之間、輸入電壓最高 24 VDC 的應(yīng)用，通常需要 OVP、限流/OCP 以及“電源良好”信號(hào)。使用電流計(jì)時(shí)器和監(jiān)控器進(jìn)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(yīng)用中很常見(jiàn)（圖 1）。

圖 1：電子熔斷器的特征集與應(yīng)用的輸入電壓（橫軸）和輸入電流（縱軸）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，損害性能并減少壽命。電流保護(hù)電路監(jiān)測(cè)電流 (I)，如果它超過(guò)了 "I-limit" 的設(shè)定水平，即高于額定的 "Iout" 工作電流，輸入電流首先被調(diào)節(jié)到一個(gè)固定的水平，持續(xù)數(shù)微秒 (μs)，然后自動(dòng)降低到一個(gè)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(dāng)發(fā)生過(guò)電流時(shí)，電子熔斷器會(huì)將輸入電流降低一個(gè)固定的時(shí)間（通常是幾毫秒 (ms)），然后再恢復(fù)，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(dòng)調(diào)節(jié)并降低電流，等待幾毫秒，然后重新啟動(dòng)。減少電流并重新啟動(dòng)直到故障消除的序列，有時(shí)稱為“打嗝模式”保護(hù)。在發(fā)生短路的情況下，輸入電流會(huì)迅速上升，而電子熔斷器會(huì)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(dòng)重試功能的電流限制功能，以防止負(fù)載電流過(guò)高并進(jìn)行短路保護(hù)。（圖片來(lái)源：Littelfuse）

軟啟動(dòng)限制了設(shè)備開(kāi)啟時(shí)的浪涌電流。在沒(méi)有軟啟動(dòng)的情況下，對(duì)電流的唯一限制是印刷電路板印制線和元件的相對(duì)低阻抗。高浪涌電流會(huì)損壞電源電路或元件。軟啟動(dòng)會(huì)慢慢打開(kāi)電子熔斷器，提供壓擺率控制并限制浪涌電流（圖 3）。軟啟動(dòng)率可以是固定的或可編程的。

圖 3：電子熔斷器中的軟啟動(dòng)可以防止?jié)撛诘挠泻擞侩娏?，并且可固定或可編程。（圖片來(lái)源：Littelfuse）

UVLO 和 OVP

電壓過(guò)高或過(guò)低也會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障和可能的損壞。如果輸入電壓低于預(yù)設(shè)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(nèi)阻（如電池），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)跨越 UVLO 閾值。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，UVLO 功能會(huì)進(jìn)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(yùn)行。

OVP 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)，電子熔斷器立即箝制電壓以保護(hù)系統(tǒng)，然后關(guān)斷。它還通過(guò)一個(gè)內(nèi)部電阻器將輸出電容對(duì)地放電。當(dāng)電壓下降到指定值時(shí)，電子熔斷器會(huì)自動(dòng)導(dǎo)通（圖 4）。OVP 閾值可以是固定的或可編程的。

圖 4：當(dāng)輸入電壓達(dá)到 OVP 箝位值時(shí)，它會(huì)被阻止繼續(xù)上升，并且電子熔斷器會(huì)關(guān)斷輸出以保護(hù)系統(tǒng)。（圖片來(lái)源：Littelfuse）

熱保護(hù)

溫度過(guò)高也會(huì)導(dǎo)致設(shè)備損壞或功能失常，因此電子熔斷器包括了一個(gè)內(nèi)部溫度傳感器。OTP 通常用一個(gè)兩階段過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先是熱調(diào)節(jié)溫度，通常在 125°C 左右，在這個(gè)溫度，電子熔斷器會(huì)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(jié)溫超過(guò)熱關(guān)斷閾值 (TSHDN)，通常在 140°C 左右，則電子熔斷器會(huì)關(guān)斷。OTP 還包括滯后性，當(dāng)內(nèi)部溫度低于 TSHDN 20°C 時(shí)，電子熔斷器將重新啟動(dòng)（圖 5）。

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

用于電池供電型設(shè)備的緊湊型 5 伏電子熔斷器

藍(lán)牙耳機(jī)、可穿戴設(shè)備、平板電腦和其他適配器供電型設(shè)備的設(shè)計(jì)人員可以使用采用 DFN2X2_8L 封裝的 5 伏、5 A 級(jí) [LS0505EVD22]，以及采用 SOT23_3L 封裝的 5 伏、4 A 級(jí) [LS0504EVT233]，以獲得提供 OVP、OCP 和軟啟動(dòng)的緊湊解決方案（圖 6）。內(nèi)部開(kāi)關(guān)的 50 毫歐 (mΩ) 導(dǎo)通電阻會(huì)將功率耗散降至最低。在電壓過(guò)高的情況下，OVP 會(huì)立即做出反應(yīng)，對(duì)輸出電容進(jìn)行放電。電流限制閾值通過(guò)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運(yùn)行。自動(dòng)軟啟動(dòng)功能提供平穩(wěn)的電壓上升，將浪涌電流限制在一個(gè)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(yīng)用。（圖片來(lái)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(qū)動(dòng)器、固態(tài)磁盤驅(qū)動(dòng)器以及連接筆記本電腦和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的適配器供電型設(shè)備。這些電子熔斷器具有一個(gè)導(dǎo)通電阻為 25 mΩ 的開(kāi)關(guān)，采用 10 引線 DFN3×3 封裝。它們包括可編程軟啟動(dòng)時(shí)間、最高 5A 的可編程電流限制閾值、短路保護(hù)、UVLO 和折返式 OTP。有兩種型號(hào)可供選擇：

[LS1205EV] 包括三個(gè)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(gè)開(kāi)漏故障指示器功能，可以發(fā)出 UVLO、OVP、短路和熱關(guān)斷故障發(fā)生的信號(hào)。

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(luò)設(shè)備的設(shè)計(jì)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(dòng)和 OTP（圖 7）。電源開(kāi)關(guān)的導(dǎo)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(dòng)功能是可編程的，OTP 包括器件冷卻時(shí)的自動(dòng)恢復(fù)。這種電子熔斷器的特點(diǎn)是無(wú)論啟用信號(hào) (EN) 的邏輯狀態(tài)如何，RCB 功能始終處于開(kāi)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(jìn)行了 UL 認(rèn)證。

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

電路板布局指南

對(duì)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(shí)現(xiàn)成功。

• 應(yīng)在 IN 端和接地 (GND) 之間以及 OUT 端和 GND 之間放置一個(gè) 0.1 微法拉 (μF) 或更大的陶瓷去耦電容器。當(dāng)輸入電源路徑的電感可以忽略不計(jì)時(shí)，例如在熱插拔應(yīng)用中，這個(gè)電容器可能沒(méi)有必要。
• 去耦電容應(yīng)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(yīng)至少是最大預(yù)期電流的兩倍，并應(yīng)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(yīng)該是一個(gè)島狀或銅質(zhì)平面。

對(duì)于 LS1205E 系列來(lái)說(shuō)：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(yīng)的連接引腳，并使用盡可能短的印制線長(zhǎng)度將元件的另一端連接到 GND。印制線的放置應(yīng)防止耦合到印刷電路板上的任何開(kāi)關(guān)信號(hào)，RILIM 和 CSS 元件的線路長(zhǎng)度應(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)參考規(guī)格書了解與 USB Type-C 電纜短路保護(hù)和 FRS 元件有關(guān)的布局考量。

結(jié)語(yǔ)

為了同時(shí)保護(hù)用戶和設(shè)備，并滿足適用的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)人員可以使用集成保護(hù)電子熔斷器穩(wěn)壓器，來(lái)提供包括 OVP、OCP、ULVO、OTP 和反向電流阻斷在內(nèi)的各種功能。電子熔斷器具有可編程的保護(hù)閾值和復(fù)位能力，支持設(shè)計(jì)的靈活性，同時(shí)還具有低“導(dǎo)通”電阻開(kāi)關(guān)，以最大限度地提高效率，并包括軟啟動(dòng)以盡量減少浪涌電流。有些型號(hào)還包括認(rèn)證的 FRS 和 RCB，用于 USB Type-C 交流適配器。