eFuse如何助力汽車電氣化

保險(xiǎn)絲是汽車電路中歷史悠久的一個(gè)存在。當(dāng)電路系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)比如某個(gè)負(fù)載損壞，其后果可能是危險(xiǎn)的，比如負(fù)載短路引起設(shè)備被整體毀壞，引發(fā)起火等更進(jìn)一步的嚴(yán)重危害。保險(xiǎn)絲是抵御這些危險(xiǎn)過(guò)載和短路的重要元件。保險(xiǎn)絲內(nèi)含金屬線或金屬條，當(dāng)電流過(guò)大時(shí)會(huì)熔斷，切斷電路并防止設(shè)備系統(tǒng)損壞或進(jìn)一步危害發(fā)生。汽車電路中，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)采用可熔斷型保險(xiǎn)絲，很多保險(xiǎn)絲密集設(shè)計(jì)在一個(gè)盒子內(nèi)，其位置一般會(huì)放置在需要更換時(shí)方便打開(kāi)的地方。但由于過(guò)于集中在同一位置，而保險(xiǎn)絲對(duì)應(yīng)的負(fù)載遍布車身各處，這種設(shè)計(jì)難免造成線束繁多且走線復(fù)雜，增加電纜長(zhǎng)度，重量和成本。而且，傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲僅提供基礎(chǔ)的過(guò)流過(guò)載的保護(hù)，無(wú)法提供如過(guò)壓，精確過(guò)流控制，電流反饋，診斷等復(fù)雜的保護(hù)和功能。eFuse（電子保險(xiǎn)絲）是一種集成電路，可以替代以上提到的傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲。eFuse集成了控制電路，大部分產(chǎn)品也集成了MOSFET，其功能不僅僅是保護(hù)電路，更是負(fù)責(zé)給負(fù)載分配電源并提供多種保護(hù)功能的PD電源分配電路。并且，采用eFuse設(shè)計(jì)的汽車電路一般采用分布式布局的電源分配結(jié)構(gòu)，這種布局降低了布線復(fù)雜度，可以降低電纜長(zhǎng)度，并且eFuse的引入還可優(yōu)化布線線徑（過(guò)流保護(hù)更精準(zhǔn)），從而減少了電纜的使用長(zhǎng)度和總體重量。

圖1 汽車傳統(tǒng)的可更換保險(xiǎn)絲的保險(xiǎn)絲盒

eFuse作為傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的替代，其擁有巨大的優(yōu)勢(shì)。

· 可設(shè)置性高：可通過(guò)修改內(nèi)部寄存器或外圍器件參數(shù)來(lái)修改I2t保護(hù)參數(shù)設(shè)置來(lái)適應(yīng)保護(hù)不同的線束類別。

· 可升級(jí)性好：通常eFuse同一系列甚至不同系列都是設(shè)計(jì)成可替換引腳排布，不僅可以替換為同一代產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)某些性能提升（如額定電流加大），也可以替換成高端系列增加新的功能。

· 支持診斷：eFuse可以反饋很多診斷類信息，尤其是部分eFuse支持SPI或I2C等常用接口可以反饋更多的信息。

· 支持電流反饋：eFuse通常可以支持讀取負(fù)載的電流信息，這對(duì)于主控了解負(fù)載的狀態(tài)至關(guān)重要但傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲無(wú)法實(shí)現(xiàn)這種功能。

· 速度快：傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲是通過(guò)熱量積累最終熔斷設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)保護(hù)的，其不僅保護(hù)電流會(huì)受溫度影響較大，反應(yīng)速度也很慢，而eFuse直接采集電流信號(hào)，直接根據(jù)電流大小來(lái)確定保護(hù)行為發(fā)生，其速度提升巨大。

另外，eFuse還可以提供傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲無(wú)法提供的過(guò)壓保護(hù)等功能，其更精確的過(guò)流保護(hù)設(shè)置可以優(yōu)化線束的線徑從而減低重量和成本，其可調(diào)整可設(shè)置的自恢復(fù)特性有助于減低維護(hù)成本。

eFuse有很多實(shí)現(xiàn)方案，比較傳統(tǒng)的分立式方案現(xiàn)在已經(jīng)不太常用，其使用MOSFET以及外圍分立器件檢測(cè)和控制整個(gè)電路運(yùn)行，由運(yùn)放、比較器、電阻、電容等構(gòu)成，這種傳統(tǒng)分立式方案電路復(fù)雜但性能一般。無(wú)法與專用集成電路方案匹敵。專用集成電路則將絕大部分功能集成在一個(gè)芯片中，其根據(jù)性能和功能多少以及MOSFET外置還是內(nèi)置也會(huì)分幾大類。以安森美半導(dǎo)體的eFuse產(chǎn)品為例，其按照功能多少以及是否內(nèi)置MOSFET劃分成了四大類別，以適應(yīng)不同的功能需求和電流大小需求。通常高電流的通道需要選擇外置MOSFET方案，低于30A的電流通道可以根據(jù)功能的需求在內(nèi)置MOSFET方案中選擇最適合的一類。

首先是SmartFET–F系列，如NCV840xxF，這是標(biāo)準(zhǔn)高邊開(kāi)關(guān)系列。MOSFET內(nèi)置，可以提供1.5mΩ到45mΩ的選擇用以不同電流通道，最高支持到30A負(fù)載電流。這個(gè)系列可以認(rèn)為是傳統(tǒng)高邊開(kāi)關(guān)的功能加強(qiáng)，用在最基礎(chǔ)的負(fù)載電源控制應(yīng)用。其擁有一些基礎(chǔ)功能：高精度負(fù)載電流檢測(cè)，錯(cuò)誤反饋，智能重啟（適用于短路或浪涌電流如電容充電場(chǎng)合），快速熱響應(yīng)。這個(gè)入門系列沒(méi)有eFuse最重要的一個(gè)功能，用來(lái)模擬真正保險(xiǎn)絲的I2t保護(hù)功能。另外需要提到一個(gè)產(chǎn)品NIV3071，其也是屬于標(biāo)準(zhǔn)高邊開(kāi)關(guān)的產(chǎn)品，其擁有4個(gè)獨(dú)立通道（可不同電壓獨(dú)立供電）且耐受60V的電壓，可以支持多路高壓應(yīng)用的場(chǎng)合。

圖2 NIV3071典型應(yīng)用電路框圖

功能完善的eFuse，SmartGuard-G系列，如NCV840xxG，這個(gè)系列可以認(rèn)為是擁有eFuse的較為完整的功能。要模擬傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的熔斷行為，最重要的功能是I2t保護(hù)功能，在G系列當(dāng)中不僅支持可設(shè)置的I2t保護(hù)功能，并且I2t保護(hù)電流水平是可由電阻在額定的范圍內(nèi)可自由設(shè)置的。同時(shí)，過(guò)電流限制也是由單獨(dú)電阻在額定范圍自由設(shè)置的，電流限制和I2t保護(hù)點(diǎn)設(shè)置互不影響可以自由組合設(shè)置。其擁有低功耗模式（Low Power IDEL Mode），在負(fù)載電流需求降低時(shí)可以降低電流消耗（關(guān)閉一部分保護(hù)以及降低輸出電流能力）。另外，G系列還增加了非常重要的電容充電模式，用以適應(yīng)負(fù)載含有大電容時(shí)充電階段的應(yīng)對(duì)。SmartGuard-G系列是功能較為完善的內(nèi)置MOSFET的eFuse產(chǎn)品。

SmartSPI–S系列是擁有SPI接口的eFuse，隨著汽車電氣化的推進(jìn)，負(fù)載數(shù)量越來(lái)越多，區(qū)域控制器需要分配的電源通道數(shù)也一直在增加，傳統(tǒng)eFuse采用直接連線來(lái)控制和反饋使得MCU的IO資源消耗越來(lái)越嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)了增加IO擴(kuò)展芯片來(lái)應(yīng)對(duì)eFuse通道數(shù)增加的設(shè)計(jì)。SPI控制的eFuse可以極大緩解這種情況，所有支持SPI的eFuse均可以連接在一個(gè)SPI總線上，這極大減輕了對(duì)MCU的IO資源的消耗。這個(gè)系列的產(chǎn)品電流采樣直接數(shù)字化輸出同樣降低了MCU資源的需求。

SmartDriver系列是SPI控制的eFuse高邊預(yù)驅(qū)，采用外置MOSFET架構(gòu)以應(yīng)對(duì)大電流應(yīng)用（30A以上的負(fù)載）。其擁有非常完整的功能，除了包含以上幾個(gè)系列提到的功能，其還有看門狗以及預(yù)防性維護(hù)的功能，電壓和溫度信息直接數(shù)字化輸出。

并非所有的產(chǎn)品都可以歸為以上4個(gè)類別，比如NCV760040，其為4通道非隔離結(jié)構(gòu)，在電流保護(hù)功能上接近于基礎(chǔ)功能的NCV840xxF系列，沒(méi)有I2t保護(hù)這樣的模擬傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲行為的功能，但是其具有I2C通信能力，狀態(tài)讀取以及診斷反饋能力比較強(qiáng)，可以直接I2C讀取負(fù)載電流或通過(guò)CS讀取，所以eFuse產(chǎn)品呈現(xiàn)出多種多樣的特點(diǎn)，需要根據(jù)具體應(yīng)用來(lái)選擇合適的產(chǎn)品來(lái)獲得最佳的性價(jià)比。

圖3 NCV760040的應(yīng)用電路框圖

接下來(lái)介紹幾個(gè)eFuse最重要的功能，首先介紹保險(xiǎn)絲最傳統(tǒng)的電流保護(hù)功能。最基礎(chǔ)的是過(guò)流保護(hù)功能，eFuse通常具有可調(diào)的電流保護(hù)點(diǎn)設(shè)置能力，用以適應(yīng)不同的應(yīng)用場(chǎng)合和負(fù)載，以NCV840xxG為例，其電流保護(hù)點(diǎn)可以在25%到75%之間以及最大值100%自由設(shè)置，通過(guò)外部電阻即可更改。除了過(guò)流關(guān)斷功能外，NCV840xxG還內(nèi)置了一項(xiàng)智能過(guò)載保護(hù)機(jī)制，以I2t函數(shù)形式模擬傳統(tǒng)熔斷保險(xiǎn)絲的電流-時(shí)間特性曲線。當(dāng)高電流持續(xù)導(dǎo)通時(shí)間超過(guò)設(shè)定的I2t限值時(shí)，內(nèi)置電路會(huì)強(qiáng)制輸出級(jí)關(guān)斷。該特性精確還原了傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的電流-時(shí)間關(guān)系，使用戶能夠無(wú)縫替代傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲來(lái)在應(yīng)用中保護(hù)線束。

圖4 NCV84003G可以模擬傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的I2t曲線

接下來(lái)我們來(lái)看一下應(yīng)對(duì)容性負(fù)載的功能。NCV840xxG系列擁有先進(jìn)的容性負(fù)載處理能力，用在擁有大電容特性的負(fù)載場(chǎng)合。進(jìn)入容性負(fù)載模式是自動(dòng)的，作為默認(rèn)的從睡眠模式的開(kāi)通策略，IN引腳的使能會(huì)讓器件自動(dòng)進(jìn)入容性負(fù)載模式。容性負(fù)載模式下，會(huì)主動(dòng)降低斜率使得開(kāi)通是逐漸進(jìn)行的。由于容性負(fù)載的開(kāi)通會(huì)使得開(kāi)關(guān)管承受非常高的應(yīng)力，在容性負(fù)載模式下降低的動(dòng)態(tài)熱保護(hù)閾值用以保護(hù)開(kāi)關(guān)管不被損壞，這種動(dòng)態(tài)熱保護(hù)在外置MOSFET的結(jié)構(gòu)中或者分立器件方案中是難以實(shí)現(xiàn)的。由于過(guò)高的應(yīng)力會(huì)觸發(fā)如DTSD（動(dòng)態(tài)熱保護(hù)）或過(guò)流保護(hù)等，重試策略保證負(fù)載被完全充電至完成。

容性負(fù)載模式的退出是可以由多種條件觸發(fā)的，基于Vds檢測(cè)的自動(dòng)退出至正常模式，當(dāng)電容性負(fù)載被充電時(shí)，輸出電壓會(huì)逐漸增加。Vds會(huì)被持續(xù)監(jiān)測(cè)，一旦達(dá)到由Vds_Norm定義的閾值，器件將退出至正常模式。此外，為避免在此狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，還設(shè)計(jì)了由tmax_Cap指定的最大時(shí)間，內(nèi)置計(jì)時(shí)器保證最大50ms的容性模式運(yùn)行時(shí)間，還可以通過(guò)CS_EN引腳來(lái)控制退出容性負(fù)載運(yùn)行模式。當(dāng)然，對(duì)于不需要容性負(fù)載的應(yīng)用場(chǎng)合，也有特定的操作可以直接進(jìn)入正常模式。

圖5電阻負(fù)載電壓波形：左圖為容性模式，右圖為正常模式

過(guò)溫保護(hù)能力，相對(duì)于使用分立器件設(shè)計(jì)的方案，內(nèi)置MOSFET的eFuse方案擁有更加可靠的熱保護(hù)能力。NCV840xxG內(nèi)置了2種過(guò)溫保護(hù)機(jī)制，是基于兩種測(cè)溫方式：絕對(duì)值和相對(duì)值。為了防止損壞發(fā)生，任何一種保護(hù)觸發(fā)都會(huì)讓開(kāi)關(guān)關(guān)閉輸出。絕對(duì)值溫度保護(hù)的方式比較傳統(tǒng)，當(dāng)芯片內(nèi)部的溫度達(dá)到設(shè)定閾值TTSD時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉輸出用以保護(hù)電路不被損壞，然后核心溫度會(huì)緩慢降低，當(dāng)溫度下降一定的閾值TTSD_HYS時(shí)，電路可以重新啟動(dòng)。而相對(duì)值保護(hù)適用于在長(zhǎng)時(shí)間高功率耗散條件下，結(jié)溫的快速上升會(huì)在器件內(nèi)部產(chǎn)生嚴(yán)重的溫度梯度。當(dāng)這種溫度梯度差變化達(dá)到規(guī)定閾值TDTSD時(shí)，相對(duì)值溫度保護(hù)功能被激活，從而關(guān)閉器件。需要注意的是，在電容性負(fù)載模式下，TDTSD閾值會(huì)降低至TDTSD_CL，以限制在給電容性負(fù)載充電時(shí)器件承受的瞬態(tài)應(yīng)力。此外，熱保護(hù)將在芯片的差分或絕對(duì)熱極限被超出時(shí)覆蓋I2t保護(hù)。

隨著汽車電氣化的發(fā)展加深，保險(xiǎn)絲這個(gè)傳統(tǒng)上不被重視的器件也迎來(lái)了快速發(fā)展時(shí)期，并且還在快速發(fā)展中。傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲正逐步被功能強(qiáng)大的eFuse所取代。汽車電路的架構(gòu)也由集中式向著分布式的架構(gòu)發(fā)展。同時(shí)eFuse的發(fā)展也極大幫助了汽車電路架構(gòu)的革新，加強(qiáng)了汽車電路可靠性的同時(shí)幫助整體電纜減低長(zhǎng)度與線徑，使得總體成本、體積、重量得以降低。eFuse還依然處于高速發(fā)展時(shí)期，其技術(shù)已經(jīng)不單純追求模擬傳統(tǒng)的保險(xiǎn)絲的行為，因?yàn)閭鹘y(tǒng)保險(xiǎn)絲并非擁有最優(yōu)的特性。比如eFuse已經(jīng)擁有了超越傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的電流檢測(cè)保護(hù)精度，尤其考慮到不同的環(huán)境溫度這個(gè)優(yōu)勢(shì)更加明顯。eFuse也已經(jīng)可以模擬傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的I2t特性，但傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲I2t行為并非是應(yīng)用需要的理想行為，安森美目前正在研發(fā)能在非恒定I2t條件下工作的eFuse，其曲線點(diǎn)和參數(shù)可通過(guò)I2C或SPI等串行通信協(xié)議進(jìn)行編程設(shè)定。eFuse已經(jīng)超越傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲，并且這種優(yōu)勢(shì)還會(huì)逐步擴(kuò)大，了解eFuse的特點(diǎn)并且在設(shè)計(jì)初期把eFuse考慮進(jìn)電路設(shè)計(jì)架構(gòu)中已經(jīng)變得越來(lái)越重要，希望此文可以幫助您初步了解eFuse的特點(diǎn)和功能。