確保滿足 IEC 和 UL 安全標準的緊湊、靈活、準確的電路保護

USB Type-C® 交流配接器、網路裝置以及消費型電子和工業電子產品等應用及其最終使用者都需要保護，以免遭受潛在破壞性電壓、電流和溫度條件的影響。傳統保險絲或正溫度係數熱敏電阻 (PTC) 可以提供緊湊的解決方案和保護。然而，越來越多應用需要更高層級的保護和更大的靈活性，包括更快的響應時間和可編程和可重置的過壓保護 (OVP)、過電流保護 (OCP)、欠壓鎖定 (UVLO)、過熱保護 (OTP)、軟啟動和／或反向電流阻斷 (RCB)。USB Type-C 交流配接器還需要支援符合 USB Power Delivery 規範定義的計時要求之快速角色交換 (FRS)。

可以設計保護電路達成所有這些功能，但此過程耗時。此外，取得 UL 或 IEC 62368-1 安全認證會進而延後上市時間。且使用離散組件解決方案還會增加整體解決方案的覆蓋區。

設計人員可以轉用 eFuse 穩壓器，即可快速實作符合 UL 和 IEC 安全標準、緊湊且準確的保護功能。這些整合式防護 IC 具有可編程保護閾值，能支援設計靈活性，會進行自動閂鎖保護或在故障排除後自動恢復。具有低「導通」電阻，可以達到最高效率，並包含軟啟動，能將湧入電流降至最低。特定型號包括經認證的 FRS 功能，可用於 USB Type-C 交流配接器。

本文介紹 eFuse 的電壓、電流額定值，以及代表應用。接著介紹如何實作保護功能，包括 OCP、軟啟動、OVP、UVLO、OTP。最後展示 Littelfuse 的一系列 eFuse IC，針對特定應用經過最佳化，以及系統整合注意事項以加速上市。

eFuse 選擇標準

特定應用的 eFuse 與系統的工作電壓和電流密切相關。針對最高約 5 V_DC 輸入和 2 A 電流的低電壓和低電流系統，在熱抽換和熱插拔時，通常必須具備 OCP、OTP、UVLO 和湧入電流抑制 (dV/dt)。針對功耗在 2 到 6 A 之間、輸入電壓最高 24 V_DC 的應用，通常需要 OVP、限流／OCP 和「電源良好」訊號。在使用 6 A 以上電流和 24 V_DC 以上電壓的應用中，常見監控系統的電流計時器和監控器，以及 OCP 和 RCB (圖 1)。

圖 1：eFuse 功能組合與應用的輸入電壓 (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

電流過大會導致電子元件超過其額定工作溫度，進而影響效能並縮短使用壽命。電流保護電路會監控電流 (I)，若超過比額定「Iout」工作電流更高的「I-limit」設定位準，輸入電流會先在固定位準調節幾微秒 (µs)，然後自動降低到安全位準。依據使用的 eFuse，I-limit 值可以為固定或可編程。過電流時，eFuse 會減少輸入電流一段固定的時間，通常是幾毫秒 (ms)，然後重新啟動，查看故障是否已清除。

如果故障仍然存在，便會再次自動調節並減少電流，等待數毫秒，然後重新啟動。減少電流並重新啟動直到故障排除的順序有時稱為「打嗝模式」保護。在短路情況下，輸入電流上升非常快，eFuse 會立即將輸入電流降低到安全位準 (圖 2)。

圖 2：eFuse 包含自動重試功能的限流功能，可防止負載電流過大並提供短路保護。(圖片來源：Littelfuse)

軟啟動限制裝置啟動時的湧入電流。如果沒有軟啟動，對電流的唯一限制是印刷電路板的走線和組件相對較低的阻抗。高湧入電流會損壞電源電路或組件。軟啟動緩慢啟動 eFuse，提供迴轉率控制並限制湧入電流 (圖 3)。軟啟動速率可以為固定或可編程。

圖 3：eFuse 的軟啟動可防止可能有害的湧入電流，並且可以為固定或可編程。(圖片來源：Littelfuse)

UVLO 和 OVP

電壓過高或過低也會導致系統故障並可能造成損害。如果輸入電壓低於預設閾值，eFuse 的 UVLO 會阻止裝置運作。此外，如果輸入電壓上升太慢，或者電源有極大的內阻 (如電池)，則電壓會隨著負載電流的上升而下降，導致電壓反覆超過 UVLO 閾值。此時，UVLO 功能會進入振盪狀態。使用遲滯 (滯後) 約為 150 至 300 mV 的 UVLO 電路，可消除振盪並確保 UVLO 功能平穩運作。

OVP 保護裝置免受過高電壓的壓力或損壞。eFuse 偵測到過壓情況時，會立即箝位電壓以保護系統，然後關閉。還會透過內部電阻，將輸出電容放電到接地。電壓降至指定值時，eFuse 會自動啟動 (圖 4)。OVP 閾值可以為固定或可編程。

圖 4：輸入電壓達到 OVP 箝位值時，會受阻止進一步上升，且 eFuse 會關閉輸出以保護系統。(圖片來源：Littelfuse)

熱保護

溫度過高也會導致損壞或功能不正常，因此 eFuses 包含一個內部溫度感測器。OTP 通常以兩階段實作。首先是熱調節溫度，通常在 125°C 左右，此時 eFuse 會限制電流，試圖阻止溫度升高。如果溫度持續升高，且裝置接面溫度超過熱關斷閾值 (TSHDN) (通常在 140°C 左右)，則 eFuse 將關閉。OTP 還包括遲滯，當內部溫度低於熱關斷閾值 20°C 時，eFuse 將重新啟動 (圖 5)。

圖 5：OTP 包括遲滯，一旦溫度下降預定量就會重新啟動 eFuse。(圖片來源：Littelfuse)

用於電池供電裝置的緊湊型 5 V eFuse

藍牙耳機、穿戴式裝置、平板電腦和其他配接器供電裝置的設計人員，可以轉用 DFN2X2_8L 封裝的 5 V、5 A 額定值 LS0505EVD22，以及​​採用 SOT23_3L 封裝的緊湊型解決方案的 5 V、4 A 額定值 LS0504EVT233，可提供 OVP、OCP 和軟啟動 (圖 6)。內部開關的 50 mΩ 導通電阻，可將功耗降至最低。OVP 會在電壓過高時立即做出反應，並對輸出電容進行放電。電流限制閾值透過外部電阻設置，OCP 在過電流或短路情況下以打嗝模式運作。自動軟啟動功能提供平滑的電壓斜升，將湧入電流限制在安全位準。

圖 6：LS0504EVT233 eFuse 採用緊湊型 SOT23 封裝，適合空間受限的應用。(圖片來源：Littelfuse)

18 V / 5 A eFuse

LS1205E 系列 eFuse 的工作電壓範圍為 2.7 至 18 V_DC，額定電流為 5 A，適用於硬碟、固態硬碟，以及配接器供電裝置如筆記型電腦和網路裝置。這些 eFuse 具有一個導通電阻為 25 mΩ 的開關，納入 10 引線 DFN3×3 封裝。包括可編程軟啟動時間、高達 5 A 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 包括三個可選擇輸入電壓範圍。輸出箝位電壓和 UVLO 閾值基於選定的輸入電壓範圍。

LS1205EF 具有開汲極故障指示器功能，可指示 UVLO、OVP、短路和熱關斷故障。

含 RCB 和 FRS 的 28 V eFuse

筆記型電腦、平板電腦、擴充底座、網路裝置的設計人員，若需要含 RCB 和 FRS 的 Thunderbolt 或 USB Type-C PD 功能，可以轉用 LS2406ERQ23 ​28 V、6 A eFuse 穩壓器，其包括 OCP、 OVP、短路、軟啟動和 OTP (圖 7)。此電源開關有 24 mΩ 的導通電阻，可在正常運作期間將功耗降至最低，OCP、OVP 和軟啟動功能可編程，且 OTP 在裝置冷卻時可自動恢復。此 eFuse 無論致能訊號 (EN) 的邏輯狀態為何，都具有常開的 RCB 功能。FRS 和整合式輸入和輸出放電功能符合 USB PD 規範。

LS2406ERQ23 採用薄型、16 引腳 QFN 2.5 mm x 3.2 mm 封裝，並通過 UL/CSA 62368-1 認證。

圖 7：LS2406ERQ23 eFuse 典型應用支援反向電流阻斷和 FRS，適用於 USB Type-C PD 應用。(圖片來源： Littelfuse)

電路板佈局指南

為 LS1205E 系列以及 LS0505EVD22 和 LS0504EVT233，提供電路板一般佈局注意事項，有助於確保成功實作：

• 需在 IN 端子和接地 (GND) 之間，以及 OUT 端子和 GND 之間置放 0.1 µF 或更大型陶瓷去耦電容。若輸入電源路徑電感可以忽略不計 (例如熱插拔應用)，可能不需要此電容。
• 解耦電容應盡可能靠近 IN、OUT 和 GND 端子放置，並且由連接形成的環路面積必須最小化。
• 高安培電源走線應至少能承載最大預期電流的兩倍，並且越短越好。
• eFuse 的 GND 端子必須直接連接到 印刷電路板接地層。印刷電路板的接地層應該是一個孤島或銅平面。

僅限 LS1205E 系列：R_ILIM、電容 SS(CSS)、EN 用電阻等所有支援元件，應盡量靠近對應的連接引腳，並使用最短的走線將組件的另一端連接接地。走線的置放應防止耦合到印刷電路板上的任何切換訊號，且 R_ILIM 和 CSS 組件的走線應越短越好，以盡量減少對電流限制設置和軟啟動計時的寄生效應。

至於 LS2406ERQ23，請參閱規格書，瞭解與 USB Type-C 纜線短路保護和 FRS 組件的相關佈局注意事項。

結論

為了保護使用者和裝置並滿足適用標準，設計人員可以轉用整合保護 eFuse 穩壓器，這些穩壓器提供多種功能，包括 OVP、OCP、ULVO、OTP 和反向電流阻斷。eFuse 具有可編程保護閾值和重置功能，支援設計靈活性，同時還具有低「導通」電阻開關，可將效率達到最高，還具備軟啟動，能將湧入電流降至最低。特定型號包括經認證的 FRS 和 RCB，可用於 USB Type-C 交流配接器。

建議參閱

1. 如何設計符合 AV/ICT 新標準 IEC 62368-1 的防護電路