電子保險絲選型要點全解析

即便是不起眼的保險絲，也不可避免地受到技術進步的沖擊，以往簡單的玻璃管保險絲正逐步被功能更強大、更先進的智能電子保險絲(eFuse)所取代。

電子保險絲與傳統保險絲的區別

盡管變化很大，但保險絲的基本功能始終如一。保險絲始終都是保護電路免受過電流影響的保護器件，無論過電流是數百安培，還是僅僅幾毫安。通常情況下，采取的保護措施是將電路與電源斷開。對于傳統保險絲來說，這意味著保險絲會熔斷，需要實際更換保險絲。而電子保險絲則是通過半導體開關來斷開連接，因而可以進行復位，而且通常能夠自動復位。

傳統保險絲僅僅依靠其中的熔絲來決定何時斷開負載（又稱“熔斷”），而電子保險絲的“熔斷”特性是可以改變的，最常見的方式是在一個專用引腳上連接一個外部電阻器。然而，要理解電子保險絲的“熔斷”機制，需要考慮的因素遠不止流過器件的電流。

電子保險絲選擇要點

首先要了解電子保險絲的熱特性，因為熱特性可能會有很大差異。在大電流通過的情況下，熱應力是許多系統常見的故障原因，并且隨著器件尺寸不斷減小，這種現象愈發普遍。

任何器件（包括電子保險絲）的熱性能都與其物理尺寸和結構有關。在大多數設計中，半導體結與周圍環境空氣之間存在多層結構，熱量必須穿過這個“熱階梯”才能散發出去。

圖1：典型電子保險絲的熱階梯

熱量的傳遞需要時間，因此與短脈沖相關的熱量會全部留在器件內部。在許多電子保險絲中（具體取決于熱容），持續時間超過10毫秒的脈沖所產生的部分熱量會傳遞至封裝，然后開始向周圍環境空氣或器件所在的PCB散熱。

通過分析穩態電流，可根據熱阻抗(oC/W)、環境溫度和最高結溫來確定電子保險絲的RDS(ON)。據此，設計人員能夠計算出特定器件的工作極限。

接下來，通過施加不同持續時間的大電流脈沖來評估電子保險絲的動態性能。由此可以推導出（并繪制出）熱阻抗隨脈沖持續時間變化的曲線。

一般來說，脈沖持續時間越短，熱阻抗越低，而RDS(ON)和芯片尺寸等參數將決定這些較短脈沖下阻抗曲線的形狀。對于持續時間較長的脈沖（熱量有時間在器件中擴散），PCB對曲線形狀的影響會更大。諸如更多的層數、更厚的銅層以及散熱焊盤等特性，都會改變曲線的形狀。

雖然特性表征的方法是一致的，但必須針對每個具體應用分別進行，以考慮各種可變因素（例如PCB）。只有這樣，并且清楚了解電流脈沖的幅度和持續時間，才能為特定應用選擇正確的電子保險絲。

盡管這種特性表征很有用，但在實際應用中，需要將阻抗與時間之間的曲線轉換為電流與時間之間的曲線。為此，必須知道RDS(ON)和 ?t（芯片溫度的可接受變化量）。

圖2：電子保險絲的熱限制曲線

根據這些曲線，可快速輕松地確定在給定結溫(Tj)上升情況下脈沖的最大持續時間。當然，良好的設計實踐要求留出一定的安全裕度，而這需要根據每個應用的具體情況來確定。

最后要考慮的是任何會承載電流且電流會流經電子保險絲的導線。所使用的參數是“電流平方x時間”，即I2t。對于傳統保險絲，這個參數通常被定義為一個固定值，并且會與保險絲的標稱電流一起給出。

然而，這種直線方式人為地限制了性能，實際上電流越低時，線束能夠承受更長的時間。因此，電子保險絲的跳閘點通常會遵循一條曲線，以便更好地發揮系統的性能。

采用這種曲線方式可以使系統元件的尺寸更符合所需的性能要求，同時還能節省空間、減輕重量并降低成本。

電子保險絲的未來

安森美目前正在研發能在非恒定I2t條件下工作的電子保險絲，其曲線點和參數可通過I2C或SPI等串行通信協議進行編程設定（并且如果需要，還可以重新編程）。這類保險絲將包含若干典型曲線，用戶可以將這些曲線作為新設計的起始參考依據。