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、網絡設備以及消費和工業電子產品等應用中，需要為設備和終端用戶提供保護，以防止潛在破壞性電壓、電流和溫度條件出現。使用傳統的保險絲或正溫度系數熱敏電阻 (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壓器。這些集成式保護 IC 具有可編程保護閾值，可實現設計靈活性，且保護狀態既可以鎖定，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，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控器進行系統監控以及使用 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到一個固定的水平，持續數微秒 (μs)，然后自動降低到一個安全水平。根據所使用的電子熔斷器，I-limit 可以是固定的或可編程的。當發生過電流時，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潛在的有害浪涌電流，并且可固定或可編程。（圖片來源：Littelfuse）

UVLO 和 OVP

電壓過高或過低也會導致系統故障和可能的損壞。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。當這種情況發生時，UVLO 功能會進入振蕩狀態。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，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，它會被阻止繼續上升，并且電子熔斷器會關斷輸出以保護系統。（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。首先是熱調節溫度，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、固態磁盤驅動器以及連接筆記本電腦和網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，可以發出 UVLO、OVP、短路和熱關斷故障發生的信號。

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、塢站和網絡設備的設計人員可以使用 [LS2406ERQ23]28 伏 6 A 電子熔斷器穩壓器，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) 的邏輯狀態如何，RCB 功能始終處于開啟狀態。FRS 和集成的輸入和輸出放電功能均符合 USB PD 規范。

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。