Using e-Fuses to Overcome the Limitations 

of Legacy Protection Devices

使用電子保險(xiǎn)絲克服傳統(tǒng)保護(hù)器件的局限性

摘要：在現(xiàn)代汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用中，可靠性至關(guān)重要。從汽車(chē)區(qū)域控制器，到工業(yè)應(yīng)用中的計(jì)算機(jī)數(shù)控等產(chǎn)品，無(wú)論最終產(chǎn)品是簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，如果不能保證可靠性，就很可能損害制造商的聲譽(yù)。此外，還需要考慮保修維修的成本，甚至是召回產(chǎn)品的成本。然而，電子電路總歸都會(huì)出現(xiàn)故障，可能是由于外部影響，也可能是由于組件隨時(shí)間推移性能下降而引起。因此，根據(jù)良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐，建議采用電路保護(hù)器件，以確保將故障的影響降至最低。本文介紹了標(biāo)準(zhǔn)電路保護(hù)器件的局限性，以及如何利用電子保險(xiǎn)絲改進(jìn)設(shè)計(jì)。

最常見(jiàn)（且成本最低）的電路保護(hù)形式就是普通的保險(xiǎn)絲。此類(lèi)保險(xiǎn)絲通?；谌埸c(diǎn)溫度較低的金屬絲或薄金屬帶。保險(xiǎn)絲通常被插入電源供電線路中，超過(guò)額定電流時(shí)，保險(xiǎn)絲中產(chǎn)生的熱量會(huì)使金屬絲/金屬帶熔斷，從而使電路與電源斷開(kāi)連接。

這種斷開(kāi)通常不是瞬時(shí)的，保險(xiǎn)絲“熔斷”所需的時(shí)間與故障電流大小成反比。如果電流僅略高于保險(xiǎn)絲額定值，它可能會(huì)繼續(xù)通過(guò)一段時(shí)間，從而影響供電軌，導(dǎo)致電路故障或損壞。

保險(xiǎn)絲的使用并不方便；一旦保險(xiǎn)絲熔斷，就需要更換（通常需要由用戶(hù)進(jìn)行更換）。如果用戶(hù)（無(wú)意或故意）使用了錯(cuò)誤的額定值，則會(huì)構(gòu)成火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)于電路保護(hù)，還可以使用其他器件，如正溫度系數(shù) (PTC) 熱敏電阻。這些安裝在 PCB 上的器件電阻會(huì)隨著溫度升高而增加，從而限制電流流動(dòng)。只要過(guò)電流不過(guò)大（否則 PTC 熱敏電阻將變?yōu)殚_(kāi)路），隨著電流的減小，溫度將會(huì)下降，并恢復(fù)正常運(yùn)行。

雖然不再需要更換保險(xiǎn)絲，但 PTC 熱敏電阻是非線性的，而且鑒于其工作原理，不適用于寬溫度范圍的應(yīng)用。

電子保險(xiǎn)絲

電子保險(xiǎn)絲（也稱(chēng) eFuses，此術(shù)語(yǔ)由安森美 (onsemi) 在首次推出此類(lèi)器件時(shí)創(chuàng)造）是當(dāng)今提供基本的電路保護(hù)功能以及許多附加功能的一種替代方案。通常，它們能夠提供過(guò)流（包括短路）、過(guò)壓、反向電流和過(guò)熱保護(hù)。

盡管這些創(chuàng)新器件有許多應(yīng)用領(lǐng)域，但它們通常用于熱插拔情況，或者經(jīng)常出現(xiàn)電源故障的場(chǎng)景。此外，還可用于極有可能發(fā)生負(fù)載故障的應(yīng)用，或需要限制浪涌電流的系統(tǒng)。

使能引腳與高精度電流控制機(jī)制相結(jié)合，使該器件融合了負(fù)載開(kāi)關(guān)和保險(xiǎn)絲的功能，成為現(xiàn)代配電架構(gòu)中負(fù)載點(diǎn)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊。

電子保險(xiǎn)絲的主要優(yōu)勢(shì)在于靈活性和自動(dòng)復(fù)位功能，無(wú)需用戶(hù)進(jìn)行干預(yù)。作為智能器件，這些額外特性使電子保險(xiǎn)絲能夠在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更多功能，而不僅限于過(guò)壓/過(guò)流保護(hù)（電子保險(xiǎn)絲在這些方面表現(xiàn)出色）。

例如，許多電子保險(xiǎn)絲都包括 power good（“PGOOD”）引腳，可以與系統(tǒng)控制器配合使用，精確地按序?qū)ü╇娷?。一些電子保險(xiǎn)絲還包括三態(tài)引腳，可用于確保同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷多個(gè)供電軌。

電子保險(xiǎn)絲能夠檢測(cè)反向電流（傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲無(wú)法實(shí)現(xiàn)），因此在需要 ORing 的冗余電源應(yīng)用中非常有用。此外，也適用于在系統(tǒng)關(guān)斷后需要大容量電容保持電荷的情況，通常用于限制啟動(dòng)時(shí)的浪涌電流。

圖 1：電子保險(xiǎn)絲提供多種功能來(lái)增強(qiáng)保護(hù)

在許多應(yīng)用中，電容（或容性負(fù)載）可能會(huì)帶來(lái)挑戰(zhàn)，導(dǎo)致較大的浪涌電流，從而可能損壞元件或 PCB 線路。電子保險(xiǎn)絲可以提供多種功能來(lái)幫助設(shè)計(jì)人員解決這一問(wèn)題，例如自恢復(fù)或限制浪涌電流，使電容以受控方式充電。

作為智能器件，電子保險(xiǎn)絲可以監(jiān)測(cè)溫度、電壓和電流，并將數(shù)據(jù)傳遞給系統(tǒng)控制器。這在檢測(cè)故障早期預(yù)警信號(hào)時(shí)尤為有用。

汽車(chē)應(yīng)用中的電子保險(xiǎn)絲

隨著汽車(chē)中融合越來(lái)越多的技術(shù)，為確?？煽窟\(yùn)行和防止損壞，對(duì)于電路保護(hù)的需求也隨之增加。電路保護(hù)在汽車(chē)中尤為重要，因?yàn)殡姵氐碾娏髂芰ψ阋云茐木艿碾娮釉?p>

電子保險(xiǎn)絲通常用于子系統(tǒng)（例如抬頭顯示器或信息娛樂(lè)系統(tǒng)）的電力線中，以便在發(fā)生故障時(shí)斷開(kāi)和關(guān)閉這些系統(tǒng)。

在部分位于車(chē)輛外部的系統(tǒng)中，外部元件損壞可能會(huì)導(dǎo)致短路，從而損壞內(nèi)部電路。例如車(chē)載資訊系統(tǒng)，其外部 LNA 和 GPS 天線通過(guò)電子保險(xiǎn)絲連接，以保護(hù)車(chē)內(nèi)電路。

如果將車(chē)輛系統(tǒng)劃分為不同區(qū)域，則可以在系統(tǒng)內(nèi)級(jí)聯(lián)電子保險(xiǎn)絲，提供整體保護(hù)以及子系統(tǒng)保護(hù)。

圖 2：有時(shí)汽車(chē)區(qū)域控制應(yīng)用中會(huì)使用級(jí)聯(lián)電子保險(xiǎn)絲

例如，在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 域控制器中，可以在電源和主系統(tǒng)之間連接主保險(xiǎn)絲，而次級(jí)保險(xiǎn)絲可以用于保護(hù)系統(tǒng)外設(shè)，如外部安裝的超聲波停車(chē)輔助傳感器單元。

現(xiàn)代汽車(chē)中的線束是一個(gè)復(fù)雜的子系統(tǒng)。一旦車(chē)輛組裝完成，線束的更換成本高且操作困難，因此保護(hù)至關(guān)重要。線束連接著許多耗電設(shè)備（風(fēng)扇、車(chē)窗電機(jī)、空調(diào)、其他執(zhí)行器）。通常在這些系統(tǒng)前會(huì)使用保險(xiǎn)絲，從而保護(hù)線束免受過(guò)大電流的影響。

最新電子保險(xiǎn)絲技術(shù)示例

安森美 NIV(S)3071 是一款 60 VDC、65 VTR 的電子保險(xiǎn)絲，將四個(gè)獨(dú)立通道集成到單個(gè) 5.0 mm x 6.0 mm 封裝中，每個(gè)通道可支持高達(dá) 2.5 A 的連續(xù)電流（共 10 A）。每個(gè)通道的 RDSon 值僅為 80 mΩ，確保將電子保險(xiǎn)絲內(nèi)的能耗降至更低水平。

所有通道都具備可配置電流限制，其他功能包括輸出電壓箝位、指示故障的數(shù)字標(biāo)志、可配置的電流跳閘時(shí)間以及固定的 1 ms 軟啟動(dòng)。

NIV3071 能夠在 -40oC 到 +150oC 的結(jié)溫 (TJ) 范圍內(nèi)工作，并提供 2 kV 的 ESD 保護(hù)，非常適用于要求苛刻的汽車(chē)應(yīng)用，包括 12 V 和 48 V。

NIV(S)4461 是一款電子保險(xiǎn)絲，可在工業(yè)自動(dòng)化、電信、計(jì)算等應(yīng)用中提供過(guò)流、欠壓和浪涌電流保護(hù)。該器件可支持高達(dá) 360 V 電壓，以及高達(dá) 4.2 A 的連續(xù)電流。

該器件的顯著特點(diǎn)包括低電阻（典型 RDSon = 39 mΩ）和快速跳閘時(shí)間。該器件還包括可編程電流限制 (21-157A)、欠壓和可調(diào)轉(zhuǎn)換速率控制。用戶(hù)可配置的功能包括閂鎖和自恢復(fù)。

NIV(S)4461 采用 DFNN1024 封裝，尺寸僅為 3.0 mm x 3.0 mm。它采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)引腳布局，符合 UL2367 和 IEC62368 標(biāo)準(zhǔn)。

總結(jié)

電路保護(hù)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的重要組成部分，能夠確保電路和系統(tǒng)可靠性，并在發(fā)生故障或意外情況時(shí)最大程度地減少損壞。

盡管傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲提供了一定程度的保護(hù)，但現(xiàn)代電子保險(xiǎn)絲具備更高的精度、更大的靈活性和更豐富的功能，顯著提高了保護(hù)水平。