電子保險(xiǎn)絲如何幫助提供強(qiáng)大的工業(yè)電源路徑保護(hù)

1.前言

任何電子系統(tǒng)都經(jīng)常面臨惡劣的環(huán)境和威脅，例如靜電放電 (ESD)、電快速瞬變 (EFT) 和雷擊浪涌。電源設(shè)計(jì)人員必須優(yōu)先考慮電路保護(hù)以防止系統(tǒng)故障，尤其是對(duì)于具有 24V 電源軌的工業(yè)應(yīng)用。 

電路保護(hù)方案能夠保護(hù)電源和整個(gè)系統(tǒng)免受過(guò)流、短路、輸入浪涌電流、過(guò)壓、欠壓、輸入反極性保護(hù)（通常稱(chēng)為接線錯(cuò)誤）和反向電流阻斷等事件的影響。

在本博客中，我將概述幾種穩(wěn)健的工業(yè)電源路徑保護(hù)方法，包括分立實(shí)施、熱插拔加 ORing 控制器方法和集成實(shí)施。

2.離散實(shí)現(xiàn)

圖 1：分立保護(hù)方案

分立實(shí)施方案是最傳統(tǒng)的電源路徑保護(hù)方式，在電源路徑中使用保護(hù)方案，示例如圖 1 所示。

分立實(shí)施使用串聯(lián)的功率二極管來(lái)保護(hù)系統(tǒng)免受反極性（接線錯(cuò)誤）和反向電流的影響。如果電路消耗 2A 電流，它會(huì)在二極管上消耗約 1W 的功率，這會(huì)增加電路板溫度。諧振電路 (LC) 濾波器和多個(gè) TVS 二極管控制浪涌測(cè)試期間的輸入線路瞬變（國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 61000-4-5）。

該實(shí)施使用 PFET（高側(cè)開(kāi)關(guān)）以及雙極結(jié)型晶體管 BJT、運(yùn)算放大器、齊納二極管、電阻器和電容器來(lái)滿足所有保護(hù)要求。該系統(tǒng)解決方案體積龐大，并且具有更大的物料清單 (BOM) 計(jì)數(shù)。此外，此實(shí)施未解決熱關(guān)斷保護(hù)和限流精度隨溫度變化的問(wèn)題。

通過(guò)使用傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲，分立的實(shí)現(xiàn)可以防止短路事件。保險(xiǎn)絲在短路期間需要幾毫秒到幾秒的時(shí)間才能斷開(kāi)，這可能會(huì)損壞負(fù)載。

3.熱插拔加 ORing 控制器方法

圖 2：控制器 + MOSFET 保護(hù)方案

如圖 2 所示，另一種常見(jiàn)的電源保護(hù)方法是通過(guò)熱插拔控制器和 ORing 控制器。該方案使用外部 FET 使設(shè)計(jì)更加高效和可靠。不幸的是，這種實(shí)現(xiàn)仍然存在挑戰(zhàn)，例如控制外部 FET、外部感測(cè)電阻和實(shí)現(xiàn)用于輸入反極性保護(hù)的附加電路。由于外部 FET 架構(gòu)，此實(shí)施難以管理熱和安全工作區(qū) (SOA) 保護(hù)。盡管此解決方案比分立實(shí)施更好，但它并不適合空間受限的系統(tǒng)，例如輸入/輸出 (I/O) 模塊。

4.集成實(shí)施 (eFuse)

圖 3：綜合保護(hù)方案

另一方面，想象一下我們的整個(gè)分立實(shí)現(xiàn)消失在單個(gè)集成設(shè)備中，除了一些組件，如瞬態(tài)電壓抑制器 (TVS) 二極管、電阻器和電容器，如圖 3 所示。那真的很酷，對(duì)吧？電子保險(xiǎn)絲通常將上述所有保護(hù)功能高效地集成到單個(gè)設(shè)備中，并且設(shè)計(jì)工作量最少。除了電源路徑保護(hù)之外，EFuse 還包含電壓、電流監(jiān)控和用于系統(tǒng)診斷的故障指示等功能。

FET 的 SOA 保護(hù)和強(qiáng)大的熱保護(hù)可確保對(duì) eFuse 以及惡劣環(huán)境中的負(fù)載提供保護(hù)。它也適用于空間受限的應(yīng)用，因?yàn)榧捎兄趯⑾到y(tǒng)解決方案減少一半以上。

其中一種解決方案是TPS2660，這是業(yè)界首款 60V 背對(duì)背 FET 集成電子保險(xiǎn)絲。該器件絕對(duì)值得考慮用于我們的新設(shè)計(jì)，因?yàn)樗С掷擞侩娏鳌⑦^(guò)流、短路、輸入反極性保護(hù)（接線錯(cuò)誤）、過(guò)壓和欠壓情況的保護(hù)。它還為系統(tǒng)診斷提供電流監(jiān)測(cè)和故障指示。

TPS2660x設(shè)備緊湊，功能豐富的高壓熔斷器，具有全套保護(hù)功能。寬供電輸入范圍4.2至60 V允許控制許多流行的直流母線電壓。該設(shè)備可以承受和保護(hù)負(fù)載的正負(fù)極電源電壓高達(dá)±60v。集成的背靠背fet提供了反向電流阻塞特性，使該設(shè)備適合于在停電和停電條件下具有輸出電壓保持要求的系統(tǒng)。負(fù)載、源和設(shè)備保護(hù)具有許多可調(diào)特性，包括過(guò)流、輸出轉(zhuǎn)換速率和過(guò)壓、欠壓閾值。內(nèi)部的魯棒保護(hù)控制塊以及TPS2660x的高電壓額定值有助于簡(jiǎn)化系統(tǒng)的防雷設(shè)計(jì)。

關(guān)機(jī)引腳提供外部控制，使能和禁用內(nèi)部fet，以及將設(shè)備置于低電流關(guān)機(jī)模式。對(duì)于系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和下游負(fù)載控制，設(shè)備提供故障和精確的電流監(jiān)測(cè)輸出。MODE引腳允許靈活配置設(shè)備之間的三個(gè)限流故障響應(yīng)(斷路器，鎖存，自動(dòng)重試模式)。

設(shè)備可采用5mm × 4.4 mm 16針HTSSOP封裝，以及5mm × 4-mm 24針VQFN封裝，溫度范圍在-40°C至+125°C。

集成的 60V 背對(duì)背 FET 架構(gòu)讓我們可以設(shè)計(jì)穩(wěn)健的電路并保護(hù)負(fù)載免受浪涌 (IEC 61000-4-5)、EFT (IEC 61000-4-4) 以及電壓驟降和中斷等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的影響根據(jù) IEC 61131-2 進(jìn)行測(cè)試。

強(qiáng)大而高效的電源保護(hù)方案對(duì)于電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。借助集成保護(hù)器件，設(shè)計(jì)人員可以更簡(jiǎn)單、更高效地創(chuàng)建系統(tǒng)并更快地進(jìn)入市場(chǎng)。

如果我們的設(shè)計(jì)對(duì) 24V 電源軌使用電源路徑保護(hù)，請(qǐng)保持領(lǐng)先并立即開(kāi)始設(shè)計(jì)25W PLC 控制器單元的輸入保護(hù)和備用電源參考設(shè)計(jì)。