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有關(guān)eFuse電子保險(xiǎn)絲,你應(yīng)該了解的技術(shù)干貨,都在這里!

jf_pJlTbmA9 ? 來(lái)源:得捷電子DigiKey ? 作者:得捷電子DigiKey ? 2023-12-04 10:20 ? 次閱讀
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作者:Bill Schweber,文章來(lái)源: 得捷電子DigiKey微信公眾號(hào)

保險(xiǎn)絲作為一種基本的電路保護(hù)器件,已經(jīng)成功使用了150多年。熱保險(xiǎn)絲有效、可靠、易用,具有各種不同的數(shù)值和版本,能夠滿(mǎn)足不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)。然而,對(duì)于尋求以極快的速度切斷電流的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),熱保險(xiǎn)絲不可避免的缺點(diǎn)就是其自復(fù)位能力,以及在相對(duì)較低的電流下的工作能力。對(duì)于這些設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō),電子保險(xiǎn)絲(通常用eFuse或者e-Fuse表示)是一種很好的解決方案,有時(shí)還可以取代熱保險(xiǎn)絲,但通常是對(duì)熱保險(xiǎn)絲功能的補(bǔ)充。

eFuse基于一個(gè)簡(jiǎn)單概念,即通過(guò)測(cè)量已知電阻器上的電壓來(lái)檢測(cè)電流,然后在電流超過(guò)設(shè)計(jì)限值時(shí),通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (FET) 切斷電流。eFuse具有熱保險(xiǎn)絲無(wú)法實(shí)現(xiàn)特性、靈活性和功能。

本文將介紹電子保險(xiǎn)絲的工作原理。然后,探討有源電路保險(xiǎn)絲的特點(diǎn)、附加功能及如何有效使用。同時(shí),本文還將以Texas Instruments、Toshiba Electronic Devices and Storage、STMicroelectronics的解決方案為例介紹電子保險(xiǎn)絲及其有效使用情況。

eFuses如何工作?

傳統(tǒng)熱保險(xiǎn)絲的工作原理簡(jiǎn)單可靠,為人熟知:當(dāng)通過(guò)易熔連接部分的電流超過(guò)設(shè)計(jì)值時(shí),該元件就會(huì)被充分加熱而熔化。這樣,電流路徑被切斷,電流歸零。根據(jù)保險(xiǎn)絲的額定值、類(lèi)型以及過(guò)電流的大小,熱保險(xiǎn)絲可在幾百毫秒到幾秒內(nèi)作出響應(yīng)并斷開(kāi)電流通路。當(dāng)然,和所有的有源和無(wú)源元器件一樣,對(duì)于這個(gè)原理簡(jiǎn)單的純無(wú)源器件來(lái)說(shuō),也會(huì)有很多變化、細(xì)節(jié)和遮蔽運(yùn)行可供選擇。

相比之下,電子保險(xiǎn)絲的工作原理則截然不同。電子保險(xiǎn)絲具有一些相同的功能,但也增加了不同的新功能和新特性。eFuse的基本概念同樣很直接:負(fù)載電流通過(guò)FET和一個(gè)檢測(cè)電阻器,并通過(guò)該檢測(cè)電阻器上的電壓進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)該電壓超過(guò)預(yù)設(shè)值時(shí),控制邏輯會(huì)斷開(kāi)FET并切斷電流路徑(圖1)。FET與電源線和負(fù)載串聯(lián),必須具有非常低的導(dǎo)通電阻,因此不會(huì)引起過(guò)大的電流電阻 (IR) 降或功率損失。

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圖1:在電子保險(xiǎn)絲中,當(dāng)從電源到負(fù)載的電流通過(guò)檢測(cè)電阻時(shí),通過(guò)該電阻上的電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè);當(dāng)測(cè)得的電壓超過(guò)設(shè)定值時(shí),控制邏輯將FET斷開(kāi),以阻斷電流流向負(fù)載。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)

看起來(lái),eFuse只是經(jīng)典無(wú)源熱保險(xiǎn)絲的一個(gè)更復(fù)雜的有源版本。雖然如此,電子保險(xiǎn)絲也有一些獨(dú)特的屬性:

速度:反應(yīng)快,其斷開(kāi)反應(yīng)時(shí)間為微秒級(jí),有些設(shè)計(jì)能達(dá)到納秒級(jí)。這一屬性對(duì)于今天采用相對(duì)敏感的IC和無(wú)源元件的電路來(lái)說(shuō)非常重要。

低電流操作:電子保險(xiǎn)絲不僅可以采用低電流工作設(shè)計(jì)(大約100毫安 (mA) 或更?。?,而且還可以在很低的個(gè)位數(shù)電壓下正常工作。在這些水平下,熱保險(xiǎn)絲往往無(wú)法獲得足夠的自熱電流,以促使其易熔連接部分熔斷。

可復(fù)位:根據(jù)具體型號(hào),eFuse可選擇在激活后保持?jǐn)嚅_(kāi)(稱(chēng)為閂鎖模式),或在當(dāng)前故障消失后恢復(fù)正常工作(自動(dòng)重啟模式)。后一種設(shè)置在沒(méi)有"硬"故障的瞬態(tài)浪涌電流情況下特別有用,例如當(dāng)板子插入帶電總線時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況。在更換保險(xiǎn)絲困難或成本較高的情況下,也很有用。

反向電流保護(hù):電子保險(xiǎn)絲也可以提供反向電流保護(hù),這是熱熔斷器無(wú)法做到的。當(dāng)系統(tǒng)輸出電壓高于其輸入的電壓時(shí),就會(huì)出現(xiàn)反向電流。例如,在一組冗余電源并聯(lián)時(shí)就會(huì)出現(xiàn)這種情況。

過(guò)壓保護(hù):借助一些額外的電路,eFuse還可以提供過(guò)壓保護(hù),以防止浪涌或感應(yīng)跳閘,即當(dāng)輸入電壓超過(guò)設(shè)定的過(guò)壓跳閘點(diǎn)時(shí),切斷FET并在過(guò)壓條件持續(xù)期間保持在斷開(kāi)狀態(tài)。

反極性保護(hù):eFuse還可以提供反極性保護(hù),如果電源反向連接,則迅速切斷電流。例如汽車(chē)電池因電纜意外接觸而短暫的反接。

轉(zhuǎn)換速率遞增:一些先進(jìn)的電子保險(xiǎn)絲還可以通過(guò)外部控制或使用固定元件來(lái)控制無(wú)源元件FET的導(dǎo)通/關(guān)斷之間的切換,從而提供規(guī)定的斷電/上電電流轉(zhuǎn)換速率。

因此,eFuses是一種極具吸引力的電流控制解決方案。雖然在某些情況下這些器件可以代替熱保險(xiǎn)絲,但兩者往往是成對(duì)搭配使用的。在這種布局中,eFuse用于為子電路或PC板提供局部快速響應(yīng)保護(hù),例如在熱插拔系統(tǒng)、汽車(chē)應(yīng)用、可編程邏輯控制器 (PLC) 和電池充放電管理中;互補(bǔ)式熱保險(xiǎn)絲可提供系統(tǒng)級(jí)保護(hù),以防止需要硬性永久關(guān)斷的大面積嚴(yán)重故障。

這樣一來(lái),設(shè)計(jì)者就能做到兩全其美,即電子保險(xiǎn)絲的所有功能加上熱保險(xiǎn)絲清晰明確的動(dòng)作。在技術(shù)上無(wú)需做任何取舍即可實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),而且也不會(huì)有任何缺陷。當(dāng)然,與任何設(shè)計(jì)決策一樣,也會(huì)考慮一些權(quán)衡。在這種情況下,占用空間的增加和材料清單 (BOM) 會(huì)略大。

選擇eFuse:功能和應(yīng)用

選擇電子保險(xiǎn)絲時(shí)需要考慮一些基本參數(shù)。很顯然,首要考慮因素是保險(xiǎn)絲動(dòng)作時(shí)的電流水平。電流水平通常為從1安培(A)以下到10A左右,以及保險(xiǎn)絲能夠耐受的最高端子電壓。對(duì)于一些電子保險(xiǎn)絲來(lái)說(shuō),電流水平是固定的,而對(duì)于其他器件來(lái)說(shuō),其電流水平可由用戶(hù)通過(guò)外部電阻器設(shè)置。其他選擇因素包括響應(yīng)速度、靜態(tài)電流、尺寸(封裝)以及所需外部輔助元器件的數(shù)量和類(lèi)型(如有)。此外,設(shè)計(jì)人員還必須考慮不同的電子保險(xiǎn)絲型號(hào)可能具有的任何附加特性和功能。

例如,PLC是一種電子保險(xiǎn)絲在其不同子電路中都非常有用的應(yīng)用,因?yàn)檫@類(lèi)電路易于發(fā)生傳感器I/O和電源錯(cuò)接。此外,在連接導(dǎo)線或熱插拔電路板時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流浪涌。例如,Texas Instruments的TPS26620電子保險(xiǎn)絲通常用于這類(lèi)24V應(yīng)用中。如圖2所示,其設(shè)定的電流限值為500mA。該保險(xiǎn)絲的工作電壓為4.5V至60V,最大電流為80mA,具有可編程的電流限值、過(guò)壓、欠壓和反極性保護(hù)功能。該IC還可以控制浪涌電流,并為PLC I/O模塊和傳感器電源提供強(qiáng)大的反向電流和現(xiàn)場(chǎng)誤接線保護(hù)。

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圖2:圖中所示為T(mén)exas Instruments的TPS26620電子保險(xiǎn)絲在該24V DC PLC應(yīng)用中的跳閘電流設(shè)置為500mA。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)

圖3中Toshiba TCKE805(18V、5A電子保險(xiǎn)絲)的時(shí)序圖顯示了某個(gè)供應(yīng)商如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)重啟與閂鎖模式。在自動(dòng)重啟模式下(由EN/UVLO封裝引腳設(shè)定),過(guò)流保護(hù)功能通過(guò)抑制故障情況下的功耗來(lái)防止電子保險(xiǎn)絲及負(fù)載受損。

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圖3:Toshiba TCKE805 18V、5A電子保險(xiǎn)絲采用“測(cè)試和重復(fù)循環(huán)”循序來(lái)評(píng)估恢復(fù)電流是否安全。(圖片來(lái)源:Toshiba)

如果通過(guò)外部電阻器 (RLIM) 設(shè)定的輸出電流由于負(fù)載故障或者短路而超過(guò)電流限值 (ILIM) 時(shí),則輸出電流和輸出電壓下降,從而限制IC和負(fù)載的功耗。當(dāng)輸出電流達(dá)到預(yù)設(shè)限值并檢測(cè)到過(guò)電流時(shí),輸出電流會(huì)被鉗制,以使流經(jīng)的電流不超過(guò)ILIM。假如過(guò)電流問(wèn)題在此階段未解決,則會(huì)維持這種電流鉗制狀態(tài)且電子保險(xiǎn)絲的溫度繼續(xù)升高。

當(dāng)電子保險(xiǎn)絲的溫度達(dá)到熱關(guān)斷功能的動(dòng)作溫度時(shí),eFuse MOSFET被關(guān)斷,將電流徹底斷開(kāi)。自動(dòng)重啟功能試圖通過(guò)阻止這種電流來(lái)恢復(fù)電流流動(dòng),這樣會(huì)降低溫度并解除熱關(guān)斷。如果溫度再次升高,則重復(fù)上述動(dòng)作并停止運(yùn)行,直到過(guò)流情況解除。

相反,閂鎖模式會(huì)箝制輸出,直到通過(guò)IC的使能 (EN/UVLO) 引腳使電子保險(xiǎn)絲復(fù)位(圖4)。

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圖4:與自動(dòng)重啟模式不同,Toshiba電子保險(xiǎn)絲在閂鎖模式下只有接收到IC使能引腳發(fā)出的指令時(shí)才會(huì)復(fù)位。(圖片來(lái)源:Toshiba)

一些電子保險(xiǎn)絲經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)配置后,能夠克服與電阻器上的檢測(cè)電流相關(guān)的問(wèn)題,例如IR降,此類(lèi)情況會(huì)降低輸出側(cè)的電源軌電壓。例如,STMicroelectronics的3.3V STEF033AJR的最大標(biāo)稱(chēng)電流和FET導(dǎo)通電阻值分別為3.6A和40毫歐(mΩ),這是DFN封裝版器件,而2.5A和25mΩ則是倒裝片封裝版器件。在圖5所示的傳統(tǒng)連接中,在較高電流下即使通過(guò)導(dǎo)通電阻的電源軌中出現(xiàn)約15毫伏(mV)的適度IR降也可能是明顯且令人擔(dān)憂(yōu)的。

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圖5:在STEF033AJR的傳統(tǒng)接線中,用于確定限流值的電阻器R-lim放在兩個(gè)指定的端子之間。(圖片來(lái)源:STMicroelectronics)

在傳統(tǒng)接線方式中,把電阻放在正壓側(cè)限位連接和輸出電壓連接 (VOUT/Source) 之間,這樣修改后就可實(shí)現(xiàn)對(duì)IR降進(jìn)行補(bǔ)償?shù)拈_(kāi)爾文檢測(cè)布局(圖6)。

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圖6:為了減少電流檢測(cè)IR降的影響,限流電阻器的負(fù)極側(cè)連接電壓輸出 (VOUT/Source)。(圖片來(lái)源:STMicroelectronics)

請(qǐng)注意,雖然電子保險(xiǎn)絲是半導(dǎo)體器件,可在個(gè)位數(shù)電壓下工作,但并不限于這個(gè)低壓區(qū)域。例如,Texas Instruments TPS2662x系列電子保險(xiǎn)絲的額定工作電壓為4.5V至57V。

eFuse:自己造還是買(mǎi)?

原則上,可以用幾個(gè)FET、一個(gè)電阻器和一個(gè)電感,由分立式元件構(gòu)建基本的eFuse。最初的電子保險(xiǎn)絲就是這樣制造的,其中電感器有兩個(gè)作用:直流輸出濾波、利用其繞組的直流電阻作為檢測(cè)電阻器。

然而,一個(gè)性能穩(wěn)定、考慮了元器件特征以及實(shí)際工作條件的增強(qiáng)型電子保險(xiǎn)絲所需的不只是幾個(gè)分立式元器件。即使增加元器件,也只能實(shí)現(xiàn)電子保險(xiǎn)絲的基本功能(圖7)。

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圖7:對(duì)于使用分立式元器件實(shí)現(xiàn)基本功能的電子保險(xiǎn)絲,必須預(yù)見(jiàn)并克服其固有局限性。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)

實(shí)際上,隨著有源和無(wú)源分立式元器件的增多,不僅器件很快就會(huì)變得笨重,而且容易造成單個(gè)產(chǎn)品間的性能變化,以及與初始容差、元器件老化和溫度引起漂移等相關(guān)的問(wèn)題。總之,DIY“制造”的分立式解決方案存在許多局限性:

分立式電路一般使用P溝道MOSFET作為通斷元件。就實(shí)現(xiàn)相同的導(dǎo)通電阻值 (RDS(ON))而言,P溝道MOSFET比N溝道MOSFET更貴。
分立式解決方案效率低,因?yàn)樗@種解決方案會(huì)造成二極管功率耗散以及響應(yīng)的電路板溫升。

對(duì)于分立式電路來(lái)說(shuō),很難為無(wú)源元件FET提供足夠的熱保護(hù)。因此,無(wú)法進(jìn)行這種關(guān)鍵性改進(jìn),或者不得不通過(guò)大幅增加設(shè)計(jì)尺寸來(lái)提供一個(gè)合適的安全工作區(qū) (SOA)。

一個(gè)全面的分立式電路需要很多元器件和相當(dāng)大的電路板空間,而實(shí)現(xiàn)保護(hù)電路的穩(wěn)健性和可靠性也需要增加元器件。

雖然分立式設(shè)計(jì)中的輸出電壓轉(zhuǎn)換率可以使用電阻電容 (RC) 元件進(jìn)行調(diào)節(jié),但這些元件的尺寸必須在仔細(xì)了解無(wú)源FET的柵極特性后才能確定。
即使分立式元件方案可以接受,但與IC方案相比其功能仍會(huì)受限。后者可以包括上述部分或全部附加功能,如圖8電子保險(xiǎn)絲框圖所示。此外,IC解決方案體積較小,經(jīng)過(guò)充分特征化的性能更穩(wěn)定,并能以更低的成本做到"安心"實(shí)施,這是多器件解決方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。值得注意的是,TPS26620規(guī)格書(shū)中提供了幾十張性能圖和時(shí)序圖,涵蓋了各種工作條件,這些都是分立式"制造"方式難以提供的。

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圖8:全功能電子保險(xiǎn)絲外形簡(jiǎn)單,掩蓋了其內(nèi)部復(fù)雜性,這是分立式元器件無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。(圖片來(lái)源:Texas Instruments)

購(gòu)買(mǎi)標(biāo)準(zhǔn)電子保險(xiǎn)絲IC而不是走DIY分立式路線的另一個(gè)關(guān)鍵原因:監(jiān)管審批。許多熔斷器(熱保險(xiǎn)絲和電子保險(xiǎn)絲)都是用于與安全有關(guān)的功能,以防止電流過(guò)大而導(dǎo)致元器件過(guò)熱和可能起火,或者造成用戶(hù)傷害。

所有傳統(tǒng)熱保險(xiǎn)絲都獲得了各種監(jiān)管機(jī)構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可,能在使用適當(dāng)?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)故障安全型的電流關(guān)斷功能。然而,要想獲得同樣的審批,分立式解決方案是非常困難且相當(dāng)耗時(shí),甚至是不可能的。

相比之下,許多電子保險(xiǎn)絲IC已經(jīng)獲批。例如,TPS2662x系列電子保險(xiǎn)絲已獲UL 2367 認(rèn)可(“特殊用途固態(tài)過(guò)流保護(hù)器”)和IEC 62368-1認(rèn)證音頻/視頻、信息和通信技術(shù)設(shè)備 - 第1部分:安全要求)。該系列還符合IEC61000-4-5(“電磁兼容性 (EMC) - 第4-5部分:測(cè)試和測(cè)量技術(shù) - 抗浪涌測(cè)試”)。為了獲得認(rèn)證,這些電子保險(xiǎn)絲都通過(guò)了包括最低和最高工作溫度、最低和最高儲(chǔ)存和運(yùn)輸溫度、大量異常和耐久性測(cè)試以及熱循環(huán)等條件下,針對(duì)其基本作用的性能測(cè)試。

本文小結(jié)

eFuse使用有源電路而非易熔連接部分來(lái)切斷電流,用于幫助設(shè)計(jì)人員滿(mǎn)足快速切斷、自復(fù)位和低電流條件下可靠運(yùn)行等要求。電子保險(xiǎn)絲還能具有各種保護(hù)功能,以及可調(diào)轉(zhuǎn)換率。因此,這類(lèi)器件是工程師的電路和系統(tǒng)保護(hù)器件包的重要補(bǔ)充。

如上所述,電子保險(xiǎn)絲可以取代傳統(tǒng)的熱保險(xiǎn)絲,盡管在許多情況下只是用于局部保護(hù)并采用熱保險(xiǎn)絲作為補(bǔ)充。與傳統(tǒng)的熱保險(xiǎn)絲一樣,許多電子保險(xiǎn)絲也通過(guò)了安全相關(guān)功能的認(rèn)證,從而擴(kuò)大了通用性和適用性。

審核編輯 黃宇

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    <b class='flag-5'>保險(xiǎn)絲</b>的電路符號(hào)及圖形符號(hào)

    并聯(lián)電子保險(xiǎn)絲

    并聯(lián)電子保險(xiǎn)絲
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    并聯(lián)<b class='flag-5'>電子</b><b class='flag-5'>保險(xiǎn)絲</b>

    什么是電子保險(xiǎn)絲

    作為過(guò)流保護(hù)器件,隨著需求與技術(shù)的變化,保險(xiǎn)絲已經(jīng)在傳統(tǒng)的一次性保險(xiǎn)絲基礎(chǔ)上衍生出一些有各自特色的產(chǎn)品,其中包括材料器件自恢復(fù)保險(xiǎn)絲、溫度保險(xiǎn)絲
    的頭像 發(fā)表于 02-13 14:13 ?6583次閱讀
    什么是<b class='flag-5'>電子</b><b class='flag-5'>保險(xiǎn)絲</b>

    良勝保險(xiǎn)絲的常見(jiàn)分類(lèi),干貨知識(shí)分享!

      保險(xiǎn)絲電子電路中一個(gè)很重要的元件,其作用是在電路中起到保護(hù)作用。良勝保險(xiǎn)絲是一種非常常見(jiàn)的保險(xiǎn)絲品牌,其在市場(chǎng)上占有很高的份額。在使用保險(xiǎn)絲
    的頭像 發(fā)表于 07-07 10:14 ?1862次閱讀

    知道保險(xiǎn)絲應(yīng)該以多快的速度熔斷嗎?

    電流,避免過(guò)流損壞設(shè)備。知道了這一點(diǎn),我們?nèi)绾未_定在特定的電流條件下, 保險(xiǎn)絲應(yīng)該以多快的速度熔斷呢? 保險(xiǎn)絲的時(shí)間與電流(Time-Current)特性可以找到答案。例如, Littelfuse 的 ? 383系列-TR5 ?
    的頭像 發(fā)表于 07-19 20:10 ?2698次閱讀
    <b class='flag-5'>你</b>知道<b class='flag-5'>保險(xiǎn)絲</b><b class='flag-5'>應(yīng)該</b>以多快的速度熔斷嗎?

    延時(shí)保險(xiǎn)絲的工作原理 延時(shí)保險(xiǎn)絲和普通保險(xiǎn)絲的區(qū)別

    延時(shí)保險(xiǎn)絲的工作原理 延時(shí)保險(xiǎn)絲和普通保險(xiǎn)絲的區(qū)別? 延時(shí)保險(xiǎn)絲是一種常見(jiàn)的電子元件,廣泛應(yīng)用于各種電子
    的頭像 發(fā)表于 03-05 17:06 ?7058次閱讀

    怎么判定保險(xiǎn)絲好壞 判別保險(xiǎn)絲好壞的方法 保險(xiǎn)絲的選用

    怎么判定保險(xiǎn)絲好壞 判別保險(xiǎn)絲好壞的方法 保險(xiǎn)絲的選用? 判定保險(xiǎn)絲好壞以及選擇合適的保險(xiǎn)絲對(duì)于電氣設(shè)備的安全運(yùn)行非常重要。 一、判定
    的頭像 發(fā)表于 03-07 16:39 ?1.4w次閱讀

    安森美分析電子保險(xiǎn)絲的選型要點(diǎn)

    即便是不起眼的保險(xiǎn)絲,也不可避免地受到技術(shù)進(jìn)步的沖擊,以往簡(jiǎn)單的玻璃管保險(xiǎn)絲正逐步被功能更強(qiáng)大、更先進(jìn)的智能電子保險(xiǎn)絲(
    的頭像 發(fā)表于 03-19 11:22 ?9572次閱讀
    安森美分析<b class='flag-5'>電子</b><b class='flag-5'>保險(xiǎn)絲</b>的選型要點(diǎn)