确保紧凑、灵活和精确的电路保护达到 IEC 和 UL 安全标准
作者：Jeff Shepard
在 USB Type-C® 交流 (AC) 适配器、网络设备以及消费和工业电子产品等应用中，需要为设备和终端用户提供保护，以防止潜在破坏性电压、电流和温度条件出现。使用传统的保险丝或正温度系数热敏电阻 (PTC) 可以提供紧凑的解决方案和某些保护。然而，越来越多的应用需要更高级别的保护和更大的灵活性，包括更快的响应时间和可编程、可复位的过压保护 (OVP)、过流保护 (OCP)、欠压锁定 (UVLO)、过热保护 (OTP)、软启动和/或反向电流阻断 (RCB)。在使用 USB Type-C 交流适配器时，也有必要支持符合 USB 供电规范中所定义时序要求的快速角色交换 (FRS)。
设计保护电路来实现所有这些功能是可能的，但设计过程需要时间。而且，获得 UL 或 IEC 62368-1 安全认证可以进一步加快上市速度。此外，使用分立元件的解决方案会增加整体解决方案封装尺寸。
为了快速实现紧凑而准确的符合 UL 和 IEC 安全标准的保护功能，设计人员可以使用电子熔断器稳压器。这些集成式保护 IC 具有可编程保护阈值，可实现设计灵活性，且保护状态既可以锁定，也可以在故障排除后具有自动恢复。它们“导通”电阻低，可最大限度地提高效率，且可以软启动，以尽量减少浪涌电流。有些型号包括认证的 FRS 功能，用于 USB Type-C 交流适配器。
本文对电子熔断器进行了介绍，包括额定电压和电流以及典型应用。然后探讨一下如何实现保护功能，包括 OCP、软启动、OVP、UVLO 和 OTP。文章最后介绍了 Littelfuse 针对特定应用优化的一系列电子熔断器 IC，以及为加快上市速度而进行的系统集成考虑。
电子熔断器选择标准
特定应用的电子熔断器要求与系统的工作电压和电流密切相关。对于最高约 5 伏直流 (VDC) 输入和 2 安培 (A) 电流的低电压和低电流系统，通常需要对热插拔事件进行 OCP、OTP、UVLO 和浪涌电流抑制 (dV/dt) 保护。对于电流在 2 至 6 A 之间、输入电压最高 24 VDC 的应用，通常需要 OVP、限流/OCP 以及“电源良好”信号。使用电流计时器和监控器进行系统监控以及使用 OCP 和 RCB，在使用 6 A 及以上电流和 24 VDC 及以上电压的应用中很常见（图 1）。
图 1：电子熔断器的特征集与应用的输入电压（横轴）和输入电流（纵轴）密切相关。（图片来源：Littelfuse）
电流保护和软启动
过大的电流会导致电子元件超过其额定工作温度，损害性能并减少寿命。电流保护电路监测电流 (I)，如果它超过了 "I-limit" 的设定水平，即高于额定的 "Iout" 工作电流，输入电流首先被调节到一个固定的水平，持续数微秒 (µs)，然后自动降低到一个安全水平。根据所使用的电子熔断器，I-limit 可以是固定的或可编程的。当发生过电流时，电子熔断器会将输入电流降低一个固定的时间（通常是几毫秒 (ms)），然后再恢复，以查看故障是否已被清除。
如果故障仍然存在，它将再次自动调节并降低电流，等待几毫秒，然后重新启动。减少电流并重新启动直到故障消除的序列，有时称为“打嗝模式”保护。在发生短路的情况下，输入电流会迅速上升，而电子熔断器会立即将输入电流降低到安全水平（图 2）。
图 2：电子熔断器包括具有自动重试功能的电流限制功能，以防止负载电流过高并进行短路保护。（图片来源：Littelfuse）
软启动限制了设备开启时的浪涌电流。在没有软启动的情况下，对电流的唯一限制是印刷电路板印制线和元件的相对低阻抗。高浪涌电流会损坏电源电路或元件。软启动会慢慢打开电子熔断器，提供压摆率控制并限制浪涌电流（图 3）。软启动率可以是固定的或可编程的。
图 3：电子熔断器中的软启动可以防止潜在的有害浪涌电流，并且可固定或可编程。（图片来源：Littelfuse）
UVLO 和 OVP
电压过高或过低也会导致系统故障和可能的损坏。如果输入电压低于预设阈值，电子熔断器中的欠压锁定 (UVLO) 功能可防止器件工作。此外，如果输入电压上升得太慢，或者电源有很大的内阻（如电池），电压会随着负载电流的上升而下降，导致电压反复跨越 UVLO 阈值。当这种情况发生时，UVLO 功能会进入振荡状态。使用具有约 150 至 300 毫伏 (mV) 滞后的 UVLO 电路可以消除振荡并确保 UVLO 功能的平稳运行。
OVP 保护设备免受过高电压的压力或损坏。当检测到过压情况时，电子熔断器立即箝制电压以保护系统，然后关断。它还通过一个内部电阻器将输出电容对地放电。当电压下降到指定值时，电子熔断器会自动导通（图 4）。OVP 阈值可以是固定的或可编程的。
图 4：当输入电压达到 OVP 箝位值时，它会被阻止继续上升，并且电子熔断器会关断输出以保护系统。（图片来源：Littelfuse）
热保护
温度过高也会导致设备损坏或功能失常，因此电子熔断器包括了一个内部温度传感器。OTP 通常用一个两阶段过程来实现。首先是热调节温度，通常在 125°C 左右，在这个温度，电子熔断器会限制电流，试图阻止温度上升。如果温度继续上升，并且器件结温超过热关断阈值 (TSHDN)，通常在 140°C 左右，则电子熔断器会关断。OTP 还包括滞后性，当内部温度低于 TSHDN 20°C 时，电子熔断器将重新启动（图 5）。
图 5：OTP 有一定温度滞后，只有温度下降到预先确定的程度，才会重新启动电子熔断器。（图片来源：Littelfuse）
用于电池供电型设备的紧凑型 5 伏电子熔断器
蓝牙耳机、可穿戴设备、平板电脑和其他适配器供电型设备的设计人员可以使用采用 DFN2X2_8L 封装的 5 伏、5 A 级 LS0505EVD22，以及采用 SOT23_3L 封装的 5 伏、4 A 级 LS0504EVT233，以获得提供 OVP、OCP 和软启动的紧凑解决方案（图 6）。内部开关的 50 毫欧 (mΩ) 导通电阻会将功率耗散降至最低。在电压过高的情况下，OVP 会立即做出反应，对输出电容进行放电。电流限制阈值通过一个外部电阻器设置，OCP 在过流或短路条件下以打嗝模式运行。自动软启动功能提供平稳的电压上升，将浪涌电流限制在一个安全水平。
图 6：LS0504EVT233 电子熔断器采用紧凑的 SOT23 封装，适合空间有限的应用。（图片来源：Littelfuse）
18 伏/5 A 电子熔断器
LS1205E 系列电子熔断器的工作电压范围为 2.7 至 18 VDC，额定电流为 5 A，适用于硬盘驱动器、固态磁盘驱动器以及连接笔记本电脑和网络设备的适配器供电型设备。这些电子熔断器具有一个导通电阻为 25 mΩ 的开关，采用 10 引线 DFN3×3 封装。它们包括可编程软启动时间、最高 5A 的可编程电流限制阈值、短路保护、UVLO 和折返式 OTP。有两种型号可供选择：
· LS1205EV 包括三个可选择的输入电压范围。输出箝位电压和欠压锁定阈值取决于所选的输入电压范围。
· LS1205EF 包括一个开漏故障指示器功能，可以发出 UVLO、OVP、短路和热关断故障发生的信号。
带 RCB 和 FRS 的 28 伏电子熔断器
需要 Thunderbolt 或 USB Type-C PD 功能的笔记本和平板电脑、坞站和网络设备的设计人员可以使用 LS2406ERQ23 28 伏 6 A 电子熔断器稳压器，其中包括了 OCP、OVP、短路、软启动和 OTP（图 7）。电源开关的导通电阻为 24 mΩ，以尽量减少正常工作期间的功率耗散，OCP、OVP 和软启动功能是可编程的，OTP 包括器件冷却时的自动恢复。这种电子熔断器的特点是无论启用信号 (EN) 的逻辑状态如何，RCB 功能始终处于开启状态。FRS 和集成的输入和输出放电功能均符合 USB PD 规范。
LS2406ERQ23 采用扁平 16 引线 QFN 2.5 毫米 (mm) x 3.2 mm 封装，按照 UL/CSA 62368-1 进行了 UL 认证。
图 7：适合 USB Type-C PD 应用、支持反向电流阻断和 FRS 的 LS2406ERQ23 电子熔断器的典型应用。（图片来源：Littelfuse）
电路板布局指南
对于 LS1205E 系列，以及 LS0505EVD22 和 LS0504EVT233，这里有一些一般的电路板布局考量，才能帮助确保实现成功。
· 应在 IN 端和接地 (GND) 之间以及 OUT 端和 GND 之间放置一个 0.1 微法拉 (μF) 或更大的陶瓷去耦电容器。当输入电源路径的电感可以忽略不计时，例如在热插拔应用中，这个电容器可能没有必要。
· 去耦电容应尽可能地靠近 IN、OUT 和 GND 端，并且必须尽量减少连接所形成的回路面积。
· 大电流电源印制线的尺寸应至少是最大预期电流的两倍，并应尽可能短。
· 电子熔断器的 GND 端必须直接连接到印刷电路板的地平面。印刷电路板的地平面应该是一个岛状或铜质平面。
对于 LS1205E 系列来说：将所有支持元件，如 RILIM、电容器 SS (CSS) 和用于 EN 的电阻，尽可能地靠近相应的连接引脚，并使用尽可能短的印制线长度将元件的另一端连接到 GND。印制线的放置应防止耦合到印刷电路板上的任何开关信号，RILIM 和 CSS 元件的线路长度应尽可能短，以尽量减少寄生效应对电流限制设置和软启动时序的影响。
对于 LS2406ERQ23，请参考规格书了解与 USB Type-C 电缆短路保护和 FRS 元件有关的布局考量。
结语
为了同时保护用户和设备，并满足适用的标准，设计人员可以使用集成保护电子熔断器稳压器，来提供包括 OVP、OCP、ULVO、OTP 和反向电流阻断在内的各种功能。电子熔断器具有可编程的保护阈值和复位能力，支持设计的灵活性，同时还具有低“导通”电阻开关，以最大限度地提高效率，并包括软启动以尽量减少浪涌电流。有些型号还包括认证的 FRS 和 RCB，用于 USB Type-C 交流适配器。
