從傳統保險絲到電子保險絲，了解每種技術的優勢、局限性和應用場景，有助于工程師打造可靠、空間高效且符合標準的消費產品。

消費電子產品變得越來越復雜、緊湊且功率密度高。隨著這些變化，對強有力的過流保護策略的需求也加劇，以確保電子系統的安全性、可靠性和壽命。無論應用涉及便攜式電池設備、USB-C供電還是電動智能設備，工程師都面臨一個關鍵的設計決策：哪種過流保護設備在性能、成本、空間和保護能力之間最有平衡？

本文比較了目前最常見的保護解決方案：傳統熔斷器、可復位聚合物PTC（PPTC）器件以及智能eFuse集成電路。我們考察了它們的功能差異、性能權衡以及在消費電子領域的適用性。

過流保護裝置概述

傳統保險絲

傳統保險絲是一次性保護元件，當電流超出額定閾值時，電路會永久斷開。當過流產生的熱量超過臨界值時，它們通過熔化導電元件來工作。

優勢：

• 簡單、低成本且可靠

• 提供多種電壓和電流額定參數

• 特征清晰的行程曲線

限制：

• 不可復位：必須手動更換

• 對于難以維護或便攜設備來說并不理想

• 較大的熔斷器可能會占用寶貴的PCB空間

表面貼裝保險絲適用于小型設備，如藍牙音箱、手持遙控器或個人護理產品。

PPTC 可復位保險絲

聚合物正溫系數（PPTC）裝置提供自我復位保護。它們由導電聚合物材料制成，當被過大電流加熱時電阻顯著增加。

優勢：

• 故障清除并冷卻后自動復位

• 緊湊型表面貼裝格式

• 低壓應用的經濟性價比

限制：

• 響應時間比保險絲或電子保險絲慢

• 性能隨環境溫度變化，復位后重復性不足

• 限于低電壓、低電流電路。

PPTC設備廣泛應用于可充電電池組、USB外設電路以及配備小型直流電機的產品，如修整工具和機器人吸塵器。

電子保險絲（eFuse）

eFuse是一種集成電路，將功率MOSFET與控制保護邏輯結合在一起。eFuse設計用于快速且精確的過電流保護，許多型號還包含過壓保護、熱斷電、反向電流阻斷、軟啟動和故障報告。

優勢：

• 響應時間非常快

• 可編程電流限制與故障閾值

• 將多種保護功能集成于一臺設備中

• 遠程復位與診斷

限制：

• 比保險絲或PPTC（點電引信）更貴

• 需要偏置功率，有時還需要集成MCU

• 不適合高壓交流線路應用。

它們非常適合用于USB-C電源傳輸端口、嵌入式控制模塊、SSD和物聯網集線器，這些領域需要緊湊且智能的保護。

圖1展示了三種類型的過流元件技術及其相對尺寸。
表1總結了每種組件類型的特性。

圖1。三種過流元件類型

技術對比表 過流元件的特性

應用特定設計示例

1. 線路供電電器

線路供電設備需要傳統的熔斷器，這些熔斷器是為交流線電壓工作額定的。典型的線路供電設備包括大小大小的家電，如攪拌機、空氣炸鍋、洗衣機和烘干機。圖2展示了一臺需要多種保護、控制和傳感組件的洗衣機框圖。圖中的插入圖顯示了代表交流輸入模塊的電路。熔斷器提供過流保護，并對單相交流線電壓提供額定電壓，MOV則保護交流線電壓瞬變。延時保險絲可以防止因啟動涌入電流引起的干擾保險絲開口。

設計提示：選擇室溫電流額定、最大負載電流133%，并獲得UL 248-1認證的保險絲。

圖2。洗衣機的電路圖及交流輸入保護模塊細節

2. 便攜式電池供電設備

像民用電鉆、便攜風扇和美容工具等設備通常包括可充電鋰離子電池、小型電機和有限的板塊空間。PPTC可復位熔斷器因其低電壓額定、可復位工作且成本低，非常適合這些應用。PPTC可以在電池輸入端和電機控制器之間使用（見圖3），以在電機停電或短路時限制故障電流。PPTC設備提供可復位的過電流保護，而MCU控制開關并監控電機電流。

設計提示：根據環境溫度降低電流容量，并在選擇PPTC設備時考慮充電或啟動時的涌入電流。

圖：3. 由3.6V鋰離子電池供電的便攜電機控制電路示例

3. USB-C 供電電子設備

通過USB-C端口供電的產品——如智能音箱、便攜式投影儀和高端美容工具——需要遵守USB-Type C功率傳輸（PD）協商標準，并且必須承受寬大的輸入電壓（5V到20V）。

eFuse是這些設備的最佳選擇。eFuse在單一集成電路中具有多種保護功能，并通過反向電流阻斷以防止反向電流損壞電路。這些型號還可提供可編程電流限制、短路保護、過溫保護、欠壓鎖定以及與電源傳輸（PD）控制器的無縫集成。圖4詳細說明了一個eFuse，保護著USB-C端口。eFuse負責過流和反向電流保護，而PD控制器則與主機協商電力傳輸。

設計提示：選擇帶有可調斜率控制的eFuse，以管理因電容負載引起的涌入電流。

圖4。示例：使用eFuse和PD控制器實現的USB-C充電保護

4. 智能家居樞紐與消費者物聯網

這些設備通常使用微控制器、Wi-Fi/藍牙模塊和外部閃存。電纜短路、元件故障或靜電事件可能導致這些系統故障。對于低壓數字電路（3.3V或5V），傳統保險絲響應可能不夠快，PPTC在電流略高于保持電流時可能無法可靠跳閘。額定電流為0.5安培至3安培的e保險絲，集成了敏感集成電路的快速過電流保護、過壓保護、過溫保護、突入控制和欠壓鎖定控制，這些功能集成于一個元件中。eFuse在減少元件數量和節省PC板空間的同時，提供全面的電氣危害保護。圖5展示了基本eFuse的示意圖及其在電壓軌監測中的應用。

圖5。eFuse功能圖及典型應用（LS0505）

5. 顯示面板與觸摸屏電子設備

背光電路、電容觸摸控制器或I/O端口的過電流保護必須響應但不能侵入。PPTC常用于LED驅動輸出、I2C/SPI數據線以及驅動外設板的電路中。

PPTC提供無需用戶干預即可自動重置的優勢。對于具有用戶可訪問端口（如 USB 和 HDMI 數據端口）的電路，將 PPTC 與 TVS 二極管配對，確保全面的過流和瞬態保護。

離散保護策略與綜合保護策略

設計師可以選擇使用分立元件或集成元件方法，確保電路的全面保護。他們可能會發現一個產品中多種選項是有益的。權衡如下：

離散解

將傳統熔斷器或PPTC與MOSFET、二極管和邏輯結合，提供了模塊化靈活性，但增加了元件數量和復雜度。利用這種方法為產品內的不同子系統提供單獨保護。

集成eFuse解決方案

eFuse整合了這些功能，降低布局復雜度，并通過最小化保護電路組件數量來提升平均失效間隔時間（MTBF）。

圖6展示了兩種解法類型。基于PPTC的分立電路在設計靈活性上提供了較大的配置靈活性，但犧牲了PCB空間，而集成eFuse電路則在緊湊空間內提供了更多的故障保護功能。

圖6。離散PPTC保護與集成eFuse保護的比較

一個不同技術適用于單一設備的例子是擁有多電壓軌的智能電器。設計師可以使用：

• 傳統熔斷器安裝在一次交流或直流輸入端

• 低功率電壓軌道用PPTC

• 一個用于USB-C端口或外部I/O路徑的eFuse。

熱學與環境考量

設計師應考慮其消費品必須運行的環境。惡劣的環境可能決定所需的過流保護技術類型。所有電子設備的特性隨溫度變化。eFuse的保護設置比PPTC（物理保險絲）或傳統保險絲更不容易受到大溫差的影響。浴室、廚房或戶外使用的產品必須耐潮和抗振動，這會影響包裝選擇（例如，貼合涂層、密封保險絲）。

監管與合規要求

設計者需要了解各種標準、法規和通信協議互作性標準。消費電子產品必須滿足：

• UL/IEC 安全與易燃標準

• EMC/EMI關于排放和抗電的法規

• 用于功率協商的USB-IF規范。

強制的故障保護開路條件要求使用UL認證的傳統熔斷器。PPTC（通常獲得UL認證）適用于IEC 60950/62368合規設計。eFuse可以通過可編程保護邏輯的故障檢測幫助滿足安全要求。

選擇合適設備：流程框架

以下步驟定義了選擇設計中最合適的過電流保護技術的框架：

1. 定義電壓和電流包絡

• 正常工作電壓是多少？

• 最大負載電流是多少？涌入？

2. 識別需要防護的故障條件

• 短路

• 過載

• 反向電流

• 瞬變

3. 確定所需的復位行為

• 手動（保險絲）

• 自動（PPTC）

• 軟件（eFuse）

4. 評估空間、成本和集成權衡

• 物料清單成本

• PCB地產

• 診斷能力

5. 審查合規性和測試標準

• UL

• IEC

• USB-IF

• ISO

結論

沒有單一的過流保護技術適用于所有消費電子設計。這一決定取決于應用對復位行為、響應時間、電壓/電流額定和系統集成的具體要求。

• 使用傳統保險絲連接高可靠性的交流和直流電源輸入電路。

• 在直流電路中使用PPTC，因為自動復位方便且可接受。

• 在低壓直流電路中使用e保險絲，因為這些電路需要可編程、節省空間和多功能保護。

通過仔細對齊保護策略與系統需求，工程師可以確保各種消費電子產品設計安全、韌性且具成本效益。