电子保险丝如何帮助提供强大的工业电源路径保护

1.前言

任何电子系统都经常面临恶劣的环境和威胁，例如静电放电 (ESD)、电快速瞬变 (EFT) 和雷击浪涌。电源设计人员必须优先考虑电路保护以防止系统故障，尤其是对于具有 24V 电源轨的工业应用。 

电路保护方案能够保护电源和整个系统免受过流、短路、输入浪涌电流、过压、欠压、输入反极性保护（通常称为接线错误）和反向电流阻断等事件的影响。

在本博客中，我将概述几种稳健的工业电源路径保护方法，包括分立实施、热插拔加 ORing 控制器方法和集成实施。

2.离散实现

图 1：分立保护方案

分立实施方案是最传统的电源路径保护方式，在电源路径中使用保护方案，示例如图 1 所示。

分立实施使用串联的功率二极管来保护系统免受反极性（接线错误）和反向电流的影响。如果电路消耗 2A 电流，它会在二极管上消耗约 1W 的功率，这会增加电路板温度。谐振电路 (LC) 滤波器和多个 TVS 二极管控制浪涌测试期间的输入线路瞬变（国际电工委员会 (IEC) 61000-4-5）。

该实施使用 PFET（高侧开关）以及双极结型晶体管 BJT、运算放大器、齐纳二极管、电阻器和电容器来满足所有保护要求。该系统解决方案体积庞大，并且具有更大的物料清单 (BOM) 计数。此外，此实施未解决热关断保护和限流精度随温度变化的问题。

通过使用传统的保险丝，分立的实现可以防止短路事件。保险丝在短路期间需要几毫秒到几秒的时间才能断开，这可能会损坏负载。

3.热插拔加 ORing 控制器方法

图 2：控制器 + MOSFET 保护方案

如图 2 所示，另一种常见的电源保护方法是通过热插拔控制器和 ORing 控制器。该方案使用外部 FET 使设计更加高效和可靠。不幸的是，这种实现仍然存在挑战，例如控制外部 FET、外部感测电阻和实现用于输入反极性保护的附加电路。由于外部 FET 架构，此实施难以管理热和安全工作区 (SOA) 保护。尽管此解决方案比分立实施更好，但它并不适合空间受限的系统，例如输入/输出 (I/O) 模块。

4.集成实施 (eFuse)

图 3：综合保护方案

另一方面，想象一下我们的整个分立实现消失在单个集成设备中，除了一些组件，如瞬态电压抑制器 (TVS) 二极管、电阻器和电容器，如图 3 所示。那真的很酷，对吧？电子保险丝通常将上述所有保护功能高效地集成到单个设备中，并且设计工作量最少。除了电源路径保护之外，EFuse 还包含电压、电流监控和用于系统诊断的故障指示等功能。

FET 的 SOA 保护和强大的热保护可确保对 eFuse 以及恶劣环境中的负载提供保护。它也适用于空间受限的应用，因为集成有助于将系统解决方案减少一半以上。

其中一种解决方案是TPS2660，这是业界首款 60V 背对背 FET 集成电子保险丝。该器件绝对值得考虑用于我们的新设计，因为它支持浪涌电流、过流、短路、输入反极性保护（接线错误）、过压和欠压情况的保护。它还为系统诊断提供电流监测和故障指示。

TPS2660x设备紧凑，功能丰富的高压熔断器，具有全套保护功能。宽供电输入范围4.2至60 V允许控制许多流行的直流母线电压。该设备可以承受和保护负载的正负极电源电压高达±60v。集成的背靠背fet提供了反向电流阻塞特性，使该设备适合于在停电和停电条件下具有输出电压保持要求的系统。负载、源和设备保护具有许多可调特性，包括过流、输出转换速率和过压、欠压阈值。内部的鲁棒保护控制块以及TPS2660x的高电压额定值有助于简化系统的防雷设计。

关机引脚提供外部控制，使能和禁用内部fet，以及将设备置于低电流关机模式。对于系统状态监测和下游负载控制，设备提供故障和精确的电流监测输出。MODE引脚允许灵活配置设备之间的三个限流故障响应(断路器，锁存，自动重试模式)。

设备可采用5mm × 4.4 mm 16针HTSSOP封装，以及5mm × 4-mm 24针VQFN封装，温度范围在-40°C至+125°C。

集成的 60V 背对背 FET 架构让我们可以设计稳健的电路并保护负载免受浪涌 (IEC 61000-4-5)、EFT (IEC 61000-4-4) 以及电压骤降和中断等行业标准测试的影响根据 IEC 61131-2 进行测试。

强大而高效的电源保护方案对于电子系统设计至关重要。借助集成保护器件，设计人员可以更简单、更高效地创建系统并更快地进入市场。

如果我们的设计对 24V 电源轨使用电源路径保护，请保持领先并立即开始设计25W PLC 控制器单元的输入保护和备用电源参考设计。