电子产品世界

从传统保险丝到电子保险丝，了解每种技术的优势、局限性和应用场景，有助于工程师打造可靠、空间高效且符合标准的消费产品。

消费电子产品变得越来越复杂、紧凑且功率密度高。随着这些变化，对强有力的过流保护策略的需求也加剧，以确保电子系统的安全性、可靠性和寿命。无论应用涉及便携式电池设备、USB-C供电还是电动智能设备，工程师都面临一个关键的设计决策：哪种过流保护设备在性能、成本、空间和保护能力之间最有平衡？

本文比较了目前最常见的保护解决方案：传统熔断器、可复位聚合物PTC（PPTC）器件以及智能eFuse集成电路。我们考察了它们的功能差异、性能权衡以及在消费电子领域的适用性。

过流保护装置概述

传统保险丝

传统保险丝是一次性保护元件，当电流超出额定阈值时，电路会永久断开。当过流产生的热量超过临界值时，它们通过熔化导电元件来工作。

优势：

• 简单、低成本且可靠

• 提供多种电压和电流额定参数

• 特征清晰的行程曲线

限制：

• 不可复位：必须手动更换

• 对于难以维护或便携设备来说并不理想

• 较大的熔断器可能会占用宝贵的PCB空间

表面贴装保险丝适用于小型设备，如蓝牙音箱、手持遥控器或个人护理产品。

PPTC 可复位保险丝

聚合物正温系数（PPTC）装置提供自我复位保护。它们由导电聚合物材料制成，当被过大电流加热时电阻显著增加。

优势：

• 故障清除并冷却后自动复位

• 紧凑型表面贴装格式

• 低压应用的经济性价比

限制：

• 响应时间比保险丝或电子保险丝慢

• 性能随环境温度变化，复位后重复性不足

• 限于低电压、低电流电路。

PPTC设备广泛应用于可充电电池组、USB外设电路以及配备小型直流电机的产品，如修整工具和机器人吸尘器。

电子保险丝（eFuse）

eFuse是一种集成电路，将功率MOSFET与控制保护逻辑结合在一起。eFuse设计用于快速且精确的过电流保护，许多型号还包含过压保护、热断电、反向电流阻断、软启动和故障报告。

优势：

• 响应时间非常快

• 可编程电流限制与故障阈值

• 将多种保护功能集成于一台设备中

• 远程复位与诊断

限制：

• 比保险丝或PPTC（点电引信）更贵

• 需要偏置功率，有时还需要集成MCU

• 不适合高压交流线路应用。

它们非常适合用于USB-C电源传输端口、嵌入式控制模块、SSD和物联网集线器，这些领域需要紧凑且智能的保护。

图1展示了三种类型的过流元件技术及其相对尺寸。
表1总结了每种组件类型的特性。

图1。三种过流元件类型

技术对比表 过流元件的特性

应用特定设计示例

1. 线路供电电器

线路供电设备需要传统的熔断器，这些熔断器是为交流线电压工作额定的。典型的线路供电设备包括大小大小的家电，如搅拌机、空气炸锅、洗衣机和烘干机。图2展示了一台需要多种保护、控制和传感组件的洗衣机框图。图中的插入图显示了代表交流输入模块的电路。熔断器提供过流保护，并对单相交流线电压提供额定电压，MOV则保护交流线电压瞬变。延时保险丝可以防止因启动涌入电流引起的干扰保险丝开口。

设计提示：选择室温电流额定、最大负载电流133%，并获得UL 248-1认证的保险丝。

图2。洗衣机的电路图及交流输入保护模块细节

2. 便携式电池供电设备

像民用电钻、便携风扇和美容工具等设备通常包括可充电锂离子电池、小型电机和有限的板块空间。PPTC可复位熔断器因其低电压额定、可复位工作且成本低，非常适合这些应用。PPTC可以在电池输入端和电机控制器之间使用（见图3），以在电机停电或短路时限制故障电流。PPTC设备提供可复位的过电流保护，而MCU控制开关并监控电机电流。

设计提示：根据环境温度降低电流容量，并在选择PPTC设备时考虑充电或启动时的涌入电流。

图：3. 由3.6V锂离子电池供电的便携电机控制电路示例

3. USB-C 供电电子设备

通过USB-C端口供电的产品——如智能音箱、便携式投影仪和高端美容工具——需要遵守USB-Type C功率传输（PD）协商标准，并且必须承受宽大的输入电压（5V到20V）。

eFuse是这些设备的最佳选择。eFuse在单一集成电路中具有多种保护功能，并通过反向电流阻断以防止反向电流损坏电路。这些型号还可提供可编程电流限制、短路保护、过温保护、欠压锁定以及与电源传输（PD）控制器的无缝集成。图4详细说明了一个eFuse，保护着USB-C端口。eFuse负责过流和反向电流保护，而PD控制器则与主机协商电力传输。

设计提示：选择带有可调斜率控制的eFuse，以管理因电容负载引起的涌入电流。

图4。示例：使用eFuse和PD控制器实现的USB-C充电保护

4. 智能家居枢纽与消费者物联网

这些设备通常使用微控制器、Wi-Fi/蓝牙模块和外部闪存。电缆短路、元件故障或静电事件可能导致这些系统故障。对于低压数字电路（3.3V或5V），传统保险丝响应可能不够快，PPTC在电流略高于保持电流时可能无法可靠跳闸。额定电流为0.5安培至3安培的e保险丝，集成了敏感集成电路的快速过电流保护、过压保护、过温保护、突入控制和欠压锁定控制，这些功能集成于一个元件中。eFuse在减少元件数量和节省PC板空间的同时，提供全面的电气危害保护。图5展示了基本eFuse的示意图及其在电压轨监测中的应用。

图5。eFuse功能图及典型应用（LS0505）

5. 显示面板与触摸屏电子设备

背光电路、电容触摸控制器或I/O端口的过电流保护必须响应但不能侵入。PPTC常用于LED驱动输出、I2C/SPI数据线以及驱动外设板的电路中。

PPTC提供无需用户干预即可自动重置的优势。对于具有用户可访问端口（如 USB 和 HDMI 数据端口）的电路，将 PPTC 与 TVS 二极管配对，确保全面的过流和瞬态保护。

离散保护策略与综合保护策略

设计师可以选择使用分立元件或集成元件方法，确保电路的全面保护。他们可能会发现一个产品中多种选项是有益的。权衡如下：

离散解

将传统熔断器或PPTC与MOSFET、二极管和逻辑结合，提供了模块化灵活性，但增加了元件数量和复杂度。利用这种方法为产品内的不同子系统提供单独保护。

集成eFuse解决方案

eFuse整合了这些功能，降低布局复杂度，并通过最小化保护电路组件数量来提升平均失效间隔时间（MTBF）。

图6展示了两种解法类型。基于PPTC的分立电路在设计灵活性上提供了较大的配置灵活性，但牺牲了PCB空间，而集成eFuse电路则在紧凑空间内提供了更多的故障保护功能。

图6。离散PPTC保护与集成eFuse保护的比较

一个不同技术适用于单一设备的例子是拥有多电压轨的智能电器。设计师可以使用：

• 传统熔断器安装在一次交流或直流输入端

• 低功率电压轨道用PPTC

• 一个用于USB-C端口或外部I/O路径的eFuse。

热学与环境考量

设计师应考虑其消费品必须运行的环境。恶劣的环境可能决定所需的过流保护技术类型。所有电子设备的特性随温度变化。eFuse的保护设置比PPTC（物理保险丝）或传统保险丝更不容易受到大温差的影响。浴室、厨房或户外使用的产品必须耐潮和抗振动，这会影响包装选择（例如，贴合涂层、密封保险丝）。

监管与合规要求

设计者需要了解各种标准、法规和通信协议互作性标准。消费电子产品必须满足：

• UL/IEC 安全与易燃标准

• EMC/EMI关于排放和抗电的法规

• 用于功率协商的USB-IF规范。

强制的故障保护开路条件要求使用UL认证的传统熔断器。PPTC（通常获得UL认证）适用于IEC 60950/62368合规设计。eFuse可以通过可编程保护逻辑的故障检测帮助满足安全要求。

选择合适设备：流程框架

以下步骤定义了选择设计中最合适的过电流保护技术的框架：

1. 定义电压和电流包络

• 正常工作电压是多少？

• 最大负载电流是多少？涌入？

2. 识别需要防护的故障条件

• 短路

• 过载

• 反向电流

• 瞬变

3. 确定所需的复位行为

• 手动（保险丝）

• 自动（PPTC）

• 软件（eFuse）

4. 评估空间、成本和集成权衡

• 物料清单成本

• PCB地产

• 诊断能力

5. 审查合规性和测试标准

• UL

• IEC

• USB-IF

• ISO

结论

没有单一的过流保护技术适用于所有消费电子设计。这一决定取决于应用对复位行为、响应时间、电压/电流额定和系统集成的具体要求。

• 使用传统保险丝连接高可靠性的交流和直流电源输入电路。

• 在直流电路中使用PPTC，因为自动复位方便且可接受。

• 在低压直流电路中使用e保险丝，因为这些电路需要可编程、节省空间和多功能保护。

通过仔细对齐保护策略与系统需求，工程师可以确保各种消费电子产品设计安全、韧性且具成本效益。

关键词： 消费电子 过流保护 littleFuse