ADI eFuse：单芯片保护电源系统免受各类故障干扰

在需要保护电源系统的应用中，采用名为“eFuse (电子保险丝)”的保护器件正成为一种趋势。不过，在实际设计过程中，不少工程师可能仍会存有疑问：为什么一定要用保护器件？与分立方案相比，它到底好在哪？

本文将围绕电源系统保护的重要性、在设计上的挑战，以及 eFuse 的特点和优势进行详细解读。最后还会介绍 Analog Devices 公司 (以下简称 ADI) 的几款 eFuse 产品，供您参考。

在工业自动化、楼宇自动化、运动控制和过程控制等应用中，生产力和盈利能力至关重要。其关键在于运行时间，而停机时间则由维护、人为失误和设备故障引起。停机时间会导致维修成本增加和生产力下降，从而对收入产生负面影响。虽然因维护或人为失误导致的停机可能无法避免，但大多数设备故障可以通过适当措施来预防。

电源系统会受到雷击、过电流、静电等各种电气应力的影响，这些可能导致性能下降或电路损坏。为防止此类情况，安装适当的保护装置至关重要。

• 汽车与交通：车载电池 (12V、48V)、运输管理系统
• 工业：N+1 冗余电源，±48V 分布式电源系统，测试与测量设备，运动控制，工业自动化
• 航空航天与国防：航空电子设备、各种应用的电源单元
• 电信：数据中心、通信基础设施设备、PoE 系统
• 医疗：治疗设备、诊断设备、测量仪器

尤其是在需要持续运行的应用程序或涉及人体的应用场景中，确保可靠的电源保护至关重要。

在电源系统中，需要进行保护的区域有三个：输入端、输出端以及电路板内部。其中，输入端和输出端尤为重要。

在输入端，需要具备过电压 (OV) 和欠电压 (UV) 保护、电流限制、浪涌电流限制以及反向电压保护功能。此外，如果电源供电能力有限，则需要设置功率限制以防止输入功率过大。

对于使用多路电源的系统，通常需要采用 ORing 或冗余设计来实现电源切换。此时，为了防止高电压电源向低电压电源侧倒灌，反向电压保护显得尤为重要。

在输出端，需要具备针对过载和连接器短路的电流限制功能，以及防范向高压母线短路时的反向电压保护功能。当向多个回路供电时，为了控制配电，需要配备负载开关、ORing 和功率限制装置。

以上这些不同类型的保护，都是提升电源系统安全性和可靠性的关键。

由于雷击、保险丝烧断、静电或外部因素引起的短路，输入电压可能超出正常范围。

与电流相关的故障包括过载和短路。当操作超过系统容量时发生过载，而短路则由元件缺陷或操作失误引起。短路的发生可能导致电路板损坏甚至起火。

正常情况下，设计合理的系统不会出现温度异常。但如果出现持续过载、风扇故障、进出风口堵塞、空调失效等原因，都可能导致温度超过设计阈值。

由于此类故障频繁发生，如果设计时考虑不周，可能会导致在验证阶段无法通过测试用例。此外，这些故障还可能在运行过程中引发系统停机。为了防患于未然，必须配备能够应对电压、电流和温度各种故障的保护机制。

以往，通常通过组合分立元件或单功能保护 IC 来保护电源。但这样做，有时一个电源系统就需要用到几十个保护元件，导致设计复杂度增加、解决方案尺寸变大、成本上升。同时，元器件种类繁多也加大了库存管理和采购风险。

另一方面，近年来市场对解决方案的小型化、开发周期缩短及成本削减的需求日益迫切。继续沿用过去那种大量使用元器件的设计方式，已经很难满足这些需求。

因此，将所有保护功能集成于单芯片的 eFuse (电子保险丝) 备受瞩目。eFuse 内置场效应管 (FET)，具备电流检测与限制、功率限制、热保护、过压 (OV) 及欠压 (UV) 保护等多种功能。部分器件符合 UL 和 IEC 标准，可轻松确保安全性。对于在各种限制条件下必须提高可靠性的现代电源设计而言，采用 eFuse 是一个极具潜力的选择。

eFuse 将电源系统所需的保护功能集成于单芯片之中。以往需要由众多元件构成的保护功能，如今仅需一颗 IC 即可实现，从而有助于简化设计并减少元件数量。

由于能够保护电源系统免受各种故障的影响，因此可以延长运行时间。此外，与传统结构中通过熔断器熔断来切断电路不同，eFuse 是通过 FET 的导通与截止来切断电路的。由于无需更换部件且可重复使用，因此能够快速恢复运行，从而减少停机时间。若采用具备自动恢复功能的 eFuse，在异常消除后还能自动恢复应用程序的运行。 

由于可将保护功能集成于单芯片中，因此有助于简化设计并减少元器件数量。还能轻松实现小型化和缩短开发工时。

选择符合 UL 和I EC 标准的 eFuse，可以顺利满足安全要求，能够高效提升可靠性和质量。

通过利用 eFuse，可以满足小型化、缩短交付时间和节约成本等开发需求，同时确保安全性和可靠性，实现运行时间的延长。

下面将介绍 ADI eFuse 系列中支持最高 75V 输入电压的 MAX17616/MAX17616A 和 MAX17617/MAX17617A。

输入电压范围宽达 3V 至 75V，既能覆盖 12V、24V 系统，也能满足 48V、54V 高压应用。目前已用于电压等级不断提高的数据中心、工业自动化、运动控制等场合。

单颗芯片内集成了丰富的保护功能，相比分立方案，整体尺寸可缩小超过 65%。例如，内置功率 FET、电流检测、热折返限流、功率限制、电流监测、接地丢失保护，以及用于驱动外部 FET 的集成栅极驱动等。

它内置可编程输出电压钳位功能，这使吸收电压波动的电容器数量减少了90%以上，有助于大幅减少元器件数量并实现解决方案的小型化。

该产品支持 PMBus 接口，可实现电压和电流的实时监控，并支持选择电流限制模式、设置浪涌电流限制及短时过流保护等灵活配置。发生故障时，无需添加外部监控设备，即可通过 PMBus 接口进行故障原因分析。 

下表总结了这四款产品的差异：

• 型号以“A”结尾的产品 (MAX17616A、MAX17617A) 配备了可编程输出电压钳位功能，该功能可实现输入浪涌保护。
• MAX17616/MAX17616A 支持 PMBus 接口，并具备遥测 (实时监控) 和故障诊断功能。
• MAX17617/MAX17617A 支持 UL1310 2 类功率限制功能。这两款器件均支持最高 75V 的输入电压，并具备反向电压保护、反向电流保护、电流限制以及热退避功能。用户可根据应用需求选择最合适的产品。

下面是四款产品的引脚配置图，前面介绍的功能差异在引脚上也有所体现，可供选型参考。

本文围绕将电源系统所需保护功能集成到一颗芯片中的保护器件 eFuse (电子保险丝)，介绍了其重要性和优势。ADI 推出的MAX17616/MAX17616A 和 MAX17617/MAX17617A eFuse 产品功能丰富，能够有效提升电源设计效率，减少系统停机时间。以上所有型号均提供评估板，欢迎试用。

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