使用電子保險絲克服傳統(tǒng)保護器件的局限性

在現(xiàn)代汽車和工業(yè)應(yīng)用中，可靠性至關(guān)重要。從汽車域控制器，到工業(yè)應(yīng)用中的計算機數(shù)控等產(chǎn)品，無論最終產(chǎn)品是簡單還是復(fù)雜，如果不能保證可靠性，就很可能損害制造商的聲譽。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，電子電路總歸都會出現(xiàn)故障，可能是由于外部影響，也可能是由于組件隨時間推移性能下降而引起。因此，根據(jù)良好的設(shè)計實踐，建議采用電路保護器件，以確保將故障的影響降至最低。

本文介紹了標準電路保護器件的局限性，以及如何利用電子保險絲改進設(shè)計。

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

這種斷開通常不是瞬時的，保險絲“熔斷”所需的時間與故障電流大小成反比。如果電流僅略高于保險絲額定值，它可能會繼續(xù)通過一段時間，從而影響供電軌，導(dǎo)致電路故障或損壞。

保險絲的使用并不方便；一旦保險絲熔斷，就需要更換（通常需要由用戶進行更換）。如果用戶（無意或故意）使用了錯誤的額定值，則會構(gòu)成火災(zāi)風(fēng)險。

圖 1：保險絲和 PPTC 熱敏電阻通常用于電路保護

對于電路保護，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 上的器件電阻會隨著溫度升高而增加，從而限制電流流動。只要過流不太大（否則 PTC 熱敏電阻將變?yōu)殚_路），隨著電流的減小，溫度將會下降，并恢復(fù)正常運行。

雖然不再需要更換保險絲，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。

電子保險絲

電子保險絲（也稱 eFuses，此術(shù)語由安森美 (onsemi) 在首次推出此類器件時創(chuàng)造）是當(dāng)今提供基本的電路保護功能以及許多附加功能的一種替代方案。通常，它們能夠提供過流（包括短路）、過壓、反向電流和過熱保護。

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)電源故障的場景。此外，還可用于極有可能發(fā)生負載故障的應(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制相結(jié)合，使該器件融合了負載開關(guān)和保險絲的功能，成為現(xiàn)代配電架構(gòu)中負載點控制系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊。

電子保險絲的主要優(yōu)勢在于靈活性和自動復(fù)位功能，無需用戶進行干預(yù)。作為智能器件，這些額外特性使電子保險絲能夠在系統(tǒng)中實現(xiàn)更多功能，而不僅限于過壓/過流保護（電子保險絲在這些方面表現(xiàn)出色）。

例如，許多電子保險絲都包括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?。一些電子保險絲還包括三態(tài)引腳，可用于確保同時導(dǎo)通和關(guān)斷多個供電軌。

電子保險絲能夠檢測反向電流（傳統(tǒng)保險絲無法實現(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，通常用于限制啟動時的浪涌電流。

圖 2：電子保險絲提供多種功能來增強保護。

在許多應(yīng)用中，電容（或容性負載）可能會帶來挑戰(zhàn)，導(dǎo)致較大的涌入電流，從而可能損壞元件或 PCB 線路。電子保險絲可以提供多種功能來幫助設(shè)計人員解決這一問題，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，電子保險絲可以監(jiān)測溫度、電壓和電流，并將數(shù)據(jù)傳遞給系統(tǒng)控制器。這在檢測故障早期預(yù)警信號時尤為有用。

汽車應(yīng)用中的電子保險絲

隨著越來越多的技術(shù)被應(yīng)用到汽車中，為確?？煽窟\行和防止損壞，對于電路保護的需求也隨之增加。電路保護在汽車中尤為重要，因為電池的電流能力足以破壞精密的電子元件。

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

在部分位于車輛外部的系統(tǒng)中，外部元件損壞可能會導(dǎo)致短路，從而損壞內(nèi)部電路。例如車載資訊系統(tǒng)，其外部 LNA 和 GPS 天線通過電子保險絲連接，以保護車內(nèi)電路。

如果將車輛系統(tǒng)劃分為不同區(qū)域，則可以在系統(tǒng)內(nèi)級聯(lián)電子保險絲，提供整體保護以及子系統(tǒng)保護。

圖 3：有時汽車域控應(yīng)用中會使用級聯(lián)電子保險絲。

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

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

最新電子保險絲技術(shù)示例

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

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)字標志、可配置的電流動作時間以及固定的 1 ms 軟啟動。

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，非常適用于要求苛刻的汽車應(yīng)用，包括 12V 和 48V。

NIV(S)4461 是一款電子保險絲，可在工業(yè)自動化、電信、計算等應(yīng)用中提供過流、欠壓和浪涌電流保護。該器件可支持電壓高達 360 V 的連續(xù)電流。

該器件的顯著特點包括低電阻（典型 RDSon = 39 mΩ）和快速動作時間。該器件還包括可編程電流限制 (21-157A)、欠壓和可調(diào)擺率控制。用戶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)標準引腳布局，符合 UL2367 和 IEC62368 標準。

總結(jié)

電路保護是現(xiàn)代設(shè)計的重要組成部分，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最大程度地減少損壞。

盡管傳統(tǒng)保險絲提供了一定程度的保護，但現(xiàn)代電子保險絲具備更高的精度、更大的靈活性和更廣泛的功能集，顯著提高了保護水平