引言：在許多系統中，電流限制必須將瞬態過載電流限制在允許的水平，傳統的限流保護方案，如分立可復位保險絲電路，由于其不準確性、響應速度較慢，以及缺乏可配置性和可重復性，性能較差，本節簡述集成電源開關保護方案如何克服分立限流保護方案的局限性。

集成電源開關保護方案提供準確和可調的電流限制，有助于精確地限制過載電流，從而減少前級功率耗散和無源元件、線纜和PCB的尺寸。此外精確的限流（或輸出功率限制）功能通過符合關鍵的安全標準簡化了系統設計。

1.對電流限制的需求

在電子設備中的半導體組件、無源濾波器、PCB走線和接口電纜都具有固有的最大過電流能力，當超過這個載流能力時，就會導致它們過熱，可能達到不可恢復的狀態。為了克服這一問題，需要某種限流裝置將故障電流限制在最大額定電流限制范圍內，并在故障被排除后使系統恢復正常運行。

在圖6-1所示的示例中，DC-DC1正在為各個內部子系統供電，每個子系統都需要一個特定的電壓才能正常運行。這些子系統中的任何一個發生過載事件都可以影響連接到同一配電總線的其它關鍵負載的運行，從而導致系統功能錯誤或系統重位。

圖6-1：典型電子設備中的功率分布

為了避免這種情況，可以在每個電源路徑中使用電流限制器件來應對過載和短路事件，并保護敏感電路，以實現可靠的系統運行。限流器件的性能主要由以下幾個參數決定：精度、可調性、可重復性、響應時間。

2.實現電流限制的方法

保險絲

保險絲（熔斷器）被認為是傳統保護器件，它將過載或短路故障與主系統隔離，雖然保險絲是一種廉價的解決方案，但它們可能達不到現代電子設備的許多保護要求。過載電流需要比額定保險絲電流高得多（500%），才能在幾ms內產生響應。這使得預測保險絲將斷開的精確過電流值變得極其困難。保守的保險絲額定電流選擇可能會導致浪涌電流事件期間保險絲熔斷，此外一旦保險絲在過載事件中熔斷，就必須進行物理更換，這會增加系統停機時間和維護成本。圖6-2顯示了這樣一個場景。

圖6-2：每次都需要更換保險絲才能恢復正常運行

可復位保險絲是一種正溫度系數（PTC）器件，其導通電阻隨溫度而增加，在過載事件期間，過大的負載電流會增加功率損耗，從而增加其導通電阻。較高的導通電阻有助于限制過載電流并保護電路，與物理熔斷器不同，PTC允許電流在故障排除后流動，而無需更換設備。

由于PTC是由過電流負載的加熱效應驅動的，它們的反應時間被限制在幾ms內，因為它們對環境溫度有自然的依賴性，如圖6-3所示。可復位保險絲的另一個特性是每次復位后，其導通電阻都會增加，這導致隨著時間的推移，可重復性能會有衰減。

圖6-3：跳閘時間與跳閘電流-溫度相關性

分立電流限制電路

圖6-4顯示了使用分立元件的限流電路示例，分立功率開關Q1周圍的R-C器件降低了Q1的開關速度，并提供浪涌電流控制。在該方案中，串聯感測電阻器Rs和PNP三極管的組合提供有源電流限制。

圖6-4：使用分立元件的有源限流電路

在穩態操作中，Q1完全導通，并且負載電流流過串聯感測電阻器Rs和分立功率開關Q1。Rs兩端的電壓降為Q2產生偏置電壓Vbe，用于以閉環形式控制Q1。當負載電流達到足以使Q2偏置時，Q2降低Q1的柵極-源極電壓VGS，將負載電流限制在Vbe/Rs。

這種分立方法的響應時間比保險絲或PTC好得多，但仍然存在精度差的問題，考慮到Vbe電壓隨溫度的變化，電流限制精度可以在30%的范圍內。另一個缺點是感測電阻器中的功率損耗，對于5A應用，耗散將高達3.25W（0.65V×5A=3.25W）。

在過載的情況下，可以通過使用電流感測放大器或快速比較器來禁用直通開關Q1來減少功率損耗，但這增加了復雜性和成本。分立限流電路不包含熱保護，因此這些解決方案需要通過仔細選擇FET和謹慎的熱設計，以在極端故障條件下將通過FET保持在安全工作區域限制內，所有這些限制通常會導致準確性、成本、復雜性、PCB尺寸和功率損耗之間的權衡。

eFuse

eFuse是一種帶有集成FET的有源（主動）電流保護裝置，用于在故障條件下將電流限制在安全水平。eFuse的常見元件是用于調制負載電流的電源開關、電流感測元件和控制邏輯。如以下圖6-5所示，可以通過eFuse ILIM引腳處的外部電阻器RLIM將電流限制閾值設置為所需值，從而在將電流限制調整到寬范圍時提供靈活性。

在穩態條件下，集成電源開關完全打開，以最大限度地減少電源路徑中的壓降，在任何時候如果負載電流達到設定的電流限制水平ILIM，則柵極控制將集成電源開關轉換為線性模式，這增加了eFuse兩端的導通電阻和相應的電壓降，以提供恒定的輸出電流。

圖6-5：eFuse的方框圖

圖6-6顯示了電流限制設置為4A的eFuse的過載響應，如圖所示，eFuse對過載事件（通常為數百us）做出快速響應，并調節ILIM的輸出電流，故障排除后，eFuse將恢復正常工作。eFuse使用電流鏡電路來測量路徑電流，從而不需要外部感測電阻器（如圖6-4中的Rs）。這種方法不僅節省了板空間，還消除了感測電阻器的損耗，并提供了比分立方法更好的限流精度--->在±5%到±8%的范圍內。

eFuse設備的另一個主要優點是其集成的過溫保護，當結溫超過150°C（典型）時，eFuse會關閉集成電源開關。

圖6-6：使用eFuse進行的瞬態過載電流限制和恢復

高側開關

智能電源開關通過過電流保護提供強大的過載和接地短路保護，可在AEC-Q100等級中使用，這些器件提供類似于eFuse的限流功能，但其驅動感應式板外負載的能力不同。

如圖6-7所示，智能電源開關可以選擇使用內部固定的高電流限值（當CL引腳接地時）或外部電流下限值（當CL引腳通過外部電阻器RCL連接到地時）。可調節的低電流限制大大降低了內部電源開關在故障期間必須耗散的故障能量，從而減輕了電源開關的壓力，提高了系統的可靠性。

圖6-7：高側開關的方框圖

電流下限也有助于將涌入電流箝位到更低的值，如圖6-8所示，更低的故障電流通過最小化PCB走線寬度和電纜尺寸，以及更低的連接器額定值和組件公差，節省了系統級成本。

圖6-8：使用高側開關進行的沖擊電流箝位

3對功率限制的需要

通常需要功率限制來限制輸送到負載的功率，對于電壓范圍較窄的電源，限流裝置足以限制功率，但對于電壓范圍更寬的電源，需要功率限制裝置，圖6-9展示了限制功率的典型結構。

圖6-9：典型的功率限制圖

在大多數應用中，可以通過電流限制來實現功率限制，但某些應用需要精確地限制輸送到負載中的能量或功率。諸如可編程邏輯控制器之類的工業系統具有從18V到36V的寬操作電壓范圍。在電信系統中，操作電壓范圍從36V到72V變化，因此可能需要功率限制以及電流限制。

對于固定的輸出電壓或較小的電壓變化限制電流可以實現功率限制，但是電壓的較大變化需要額外的控制回路來限制功率。這個額外的電流回路通過電壓來調整電流限制，以保持恒定的功率。

諸如國際電工委員會（IEC）61010-1的用于工業設備功率和能量限制的安全和合規標準，遵守這些標準意味著還需要精確的功率限制。某些電源具有固有的功率限制，這些電源符合國家電氣規范（NEC）2級或IEC 60950標準，在這些電源中實現功率限制需要額外的功率限制電路。

使用eFuse實現功率限制

為了精確限制功率，例如在工業應用中，有的eFuse提供了一種集成解決方案，這些eFuse具有額外的功率限制控制回路，輸出功率限制可通過PLIM引腳進行配置。一般精度可以達到±6%，功率最高可達150W。這些設備還通過使兩倍于編程電流限制（兩倍于脈沖電流）的電流傳遞到負載來支持負載瞬態變化。

圖6-10顯示了此類eFuse的功率限制響應，PLIM引腳上的電阻將輸出功率限制設置為100W，該裝置允許12A的脈沖電流和282W的脈沖功率持續25ms以支持負載瞬變。

圖6-10：eFuse的功率限制（支持兩倍脈沖電流，ILIM=6A，VIN=24V）

通過外部控制回路實現功率限制

對于具有窄輸入電壓范圍的電源，可以使用電流限制來實現功率限制，在更寬電壓范圍的電源中實現功率限制需要用于精確功率限制的附加控制回路，該回路基于輸出電壓調整電流限制。

圖6-11：帶額外控制回路eFuse功率限制

圖6-11顯示了用于功率限制的eFuse的控制環路，附加控制回路使用TLV170放大器將與輸出電壓成比例的電流注入ILIM引腳，用于功率限制。圖6-12提供了圖6-11所示電路的PSpice模擬結果，模擬輸入電壓在18V到32V之間變化，TLV170調整其電流限制，輸出功率限制在10W以下。

圖6-12：圖6-11功率限制仿真結果

4.結論

限流是大多數現代電子設備的基本保護要求，盡管分立組件可以工作，但它們需要更多的PCB空間，效率較低，附帶功能有限，并且通常成本效益較低，eFuse和高邊開關，提供準確的電流限制，更快的響應時間，并且可以在無需用戶干預的情況下自行恢復。