【導(dǎo)讀】隨著車(chē)輛電子設(shè)備日益復(fù)雜，為系統(tǒng)中的所有元件提供正確且充分的保護(hù)對(duì)于安全性和可靠性至關(guān)重要。整車(chē)廠商逐漸摒棄傳統(tǒng)的刀片式保險(xiǎn)絲，轉(zhuǎn)而青睞電子保險(xiǎn)絲 (eFuse) 帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。本文將介紹如何以類(lèi)似于傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的方式操作電子保險(xiǎn)絲，并對(duì)未來(lái)通過(guò)編程使電子保險(xiǎn)絲模擬傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的前景進(jìn)行展望。
隨著車(chē)輛電子設(shè)備日益復(fù)雜，為系統(tǒng)中的所有元件提供正確且充分的保護(hù)對(duì)于安全性和可靠性至關(guān)重要。整車(chē)廠商逐漸摒棄傳統(tǒng)的刀片式保險(xiǎn)絲，轉(zhuǎn)而青睞電子保險(xiǎn)絲 (eFuse) 帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。
本文將介紹如何以類(lèi)似于傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的方式操作電子保險(xiǎn)絲，并對(duì)未來(lái)通過(guò)編程使電子保險(xiǎn)絲模擬傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的前景進(jìn)行展望。
這些可編程器件旨在保護(hù)電源線(xiàn)免受過(guò)電流、過(guò)壓和短路情況的損害。傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲在故障出現(xiàn)時(shí)從物理上切斷電路，而電子保險(xiǎn)絲與之不同，它可以復(fù)位和重新配置，這使其成為一種更靈活且可重復(fù)使用的方案。電子保險(xiǎn)絲通常用于現(xiàn)代電子設(shè)備，例如智能手機(jī)、平板電腦和筆記本電腦，在這些設(shè)備中，精確可靠的保護(hù)至關(guān)重要。如今，電子保險(xiǎn)絲越來(lái)越多地應(yīng)用于更具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，包括汽車(chē)領(lǐng)域。
事實(shí)上，電子保險(xiǎn)絲很快將成為所有汽車(chē)系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，保護(hù)器件及子系統(tǒng)免受過(guò)電流情況的影響，從而避免因損壞和可靠性而帶來(lái)額外成本。
每個(gè)電子保險(xiǎn)絲都有一條跳變曲線(xiàn)，該曲線(xiàn)定義電子保險(xiǎn)絲斷開(kāi)負(fù)載的方式和時(shí)機(jī)。由于應(yīng)用場(chǎng)景各異，因此跳變點(diǎn)需要調(diào)整，最常見(jiàn)的調(diào)整方法是在一個(gè)專(zhuān)用引腳上連接一個(gè)外部電阻。然而，正如本文將介紹的，電子保險(xiǎn)絲所需的跳變方式可能很復(fù)雜，除了電流之外，還需要考慮其他因素。
為了讓設(shè)計(jì)人員在部署電子保險(xiǎn)絲時(shí)擁有更大的靈活性，安森美正在開(kāi)發(fā)新一代器件，這些器件將允許以數(shù)字方式修改跳變曲線(xiàn)的形狀和范圍。 為了更好地掌握在設(shè)計(jì)中使用電子保險(xiǎn)絲的方法，設(shè)計(jì)人員應(yīng)深入了解為電子保險(xiǎn)絲設(shè)計(jì)跳變曲線(xiàn)時(shí)應(yīng)遵循的流程。
熱阻抗分析：第一步是了解電子保險(xiǎn)絲的物理屬性及其部署環(huán)境。這是為了確保在條件可能大幅波動(dòng)的環(huán)境中準(zhǔn)確評(píng)估熱響應(yīng)。這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)闊釕?yīng)力超過(guò)器件（包括電子保險(xiǎn)絲）的承受能力是電源系統(tǒng)最常見(jiàn)的故障模式之一。隨著幾何尺寸的持續(xù)微型化，如果不進(jìn)行全面分析，發(fā)生此類(lèi)故障的可能性將會(huì)增加。
理解熱效應(yīng)的關(guān)鍵是熱傳遞階梯（圖 1），它通過(guò)構(gòu)成電子保險(xiǎn)絲的各層和材料，將半導(dǎo)體結(jié)與環(huán)境空氣相連，另請(qǐng)參閱應(yīng)用手冊(cè) AND9733 - 帶模擬電流檢測(cè)的高側(cè) SmartFET (onsemi.com)。
圖 1 – 通用電子保險(xiǎn)絲應(yīng)用的熱傳遞階梯
這有助于理解大電流脈沖如何在整個(gè)系統(tǒng)中傳遞熱能。簡(jiǎn)而言之，脈沖持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，熱量傳播距離越遠(yuǎn)。持續(xù)時(shí)間小于 10 ms 的脈沖會(huì)留在封裝內(nèi)，而持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)的脈沖會(huì)傳播到 PCB 上并在那里耗散。這是由器件和周?chē)ɡ?PCB）的熱容所導(dǎo)致的。
PCB 的結(jié)構(gòu)將因其布局和層疊方式對(duì)熱性能產(chǎn)生顯著影響。層數(shù)、銅層重量以及是否存在電源層和接地層等因素都會(huì)影響熱性能，如圖 2 中的仿真結(jié)果所示。 這些仿真描繪了 TSSOP14-EP 封裝在不同熱條件下的熱阻：
· 左圖 1s0p_miniCu：TSSOP14 安裝在單信號(hào)層 PCB 上，銅面積最小且無(wú)電源層
· 中圖 1s0p_1InCu：TSSOP14 安裝在單信號(hào)層 PCB 上，銅面積為 1 平方英寸且無(wú)電源層
· 右圖 2s2p_1InCu：TSSOP14 安裝在雙信號(hào)層 PCB 上，銅面積為 1 平方英寸且有 2 個(gè)電源層
圖 2 – 電子保險(xiǎn)絲應(yīng)用中的熱效應(yīng)仿真
第一步，通過(guò)分析穩(wěn)態(tài)電流，可根據(jù)熱阻抗 (oC/W)、環(huán)境溫度和最高結(jié)溫來(lái)確定電子保險(xiǎn)絲的 RDS(ON)。據(jù)此，設(shè)計(jì)人員將能夠計(jì)算出工作極限。
第二步是在施加各種持續(xù)時(shí)間更短且電流更大的脈沖時(shí)，對(duì)電子保險(xiǎn)絲應(yīng)用中的熱效應(yīng)進(jìn)行仿真。 然后，可繪制熱阻抗與電流脈沖時(shí)長(zhǎng)之間的關(guān)系圖：
圖 3 – 熱阻抗具有瞬態(tài)性
圖 3 清楚地展示了熱阻抗如何隨脈沖時(shí)長(zhǎng)而變化，較短脈沖下的熱阻抗顯著降低。這里的性能與 PCB 的成本直接相關(guān)，例如通過(guò)增加層數(shù)、使用更厚的銅層或在外殼上添加散熱焊盤(pán)等措施。 然而，對(duì)于較短的脈沖，RDS(ON) 和芯片尺寸等因素會(huì)影響曲線(xiàn)的形狀，而對(duì)于較長(zhǎng)的脈沖，PCB 的影響則更為顯著。
必須針對(duì)每個(gè)應(yīng)用單獨(dú)定義并理解這個(gè)曲線(xiàn)，這對(duì)于為應(yīng)用選擇合適的電子保險(xiǎn)絲至關(guān)重要。這就要求設(shè)計(jì)人員了解通過(guò)電子保險(xiǎn)絲的電流特性，尤其是脈沖的幅度和持續(xù)時(shí)間。
應(yīng)用熱要求：熱阻抗曲線(xiàn)反映了熱阻抗與時(shí)間的關(guān)系，而保險(xiǎn)絲需要時(shí)間與電流的關(guān)系。 電子保險(xiǎn)絲的熱限制曲線(xiàn)可以通過(guò)反轉(zhuǎn)其熱阻抗曲線(xiàn)得出，但需要一些假設(shè)條件，包括 RDS(ON) 和 ?t（芯片溫度可接受的變化量）。
圖 4 – 電子保險(xiǎn)絲的熱限制曲線(xiàn)
由此得出的曲線(xiàn)展示了將結(jié)溫 (Tj) 的上升幅度限制在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)的最大電流脈沖持續(xù)時(shí)間。通常，良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐會(huì)采用絕對(duì)過(guò)電流保護(hù)，并預(yù)留幾度的溫度緩沖。
確定 I2t 與電流的關(guān)系：I2t 是電子保險(xiǎn)絲相關(guān)討論中常提及的一個(gè)重要參數(shù)。它主要與線(xiàn)束中的電流有關(guān)，如果電流過(guò)高，可能會(huì)造成損壞。對(duì)于傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲，I2t 通常與標(biāo)稱(chēng)保險(xiǎn)絲電流值一起列為常數(shù)。 圖 5 中的藍(lán)線(xiàn)展示了恒定的 I2t 值。
圖 5 – 將 I2t 設(shè)為常數(shù)會(huì)限制應(yīng)用
然而，采用這種方法意味著無(wú)法充分利用系統(tǒng)的全部散熱能力，這可能導(dǎo)致性能下降。實(shí)際上，線(xiàn)束并不需要恒定的 I2t（直線(xiàn)），因?yàn)樵谳^低電流下，較長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間是可行的。
采用恒定的 I2t 會(huì)限制可連接到電子保險(xiǎn)絲的負(fù)載，因此，在電子保險(xiǎn)絲中將 I2t 設(shè)為近似曲線(xiàn)非常重要。這樣一來(lái)，跳變點(diǎn)就會(huì)接近（但不會(huì)超過(guò)）電子保險(xiǎn)絲的極限線(xiàn)。
如果我們看一下刀片式保險(xiǎn)絲的典型曲線(xiàn)，就會(huì)更清楚地發(fā)現(xiàn)恒定 I2t 的局限性。
圖 6 – 典型刀片式保險(xiǎn)絲特性曲線(xiàn)
雖然曲線(xiàn)的較低部分主要由 I2t 決定，但如果對(duì) I2t 采用簡(jiǎn)單（直線(xiàn)）方法，則曲線(xiàn)的較高部分（即允許在較低電流下持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間的部分）就不會(huì)存在。
展望未來(lái)
憑借對(duì)影響電子保險(xiǎn)絲的熱因素、跳變曲線(xiàn)以及與非恒定 I2t 關(guān)系的深入了解，安森美正在積極研發(fā)可針對(duì)特定應(yīng)用編程的電子保險(xiǎn)絲技術(shù)。
通過(guò)串行通信（I2C 或 SPI），可將所需的跳變曲線(xiàn)形狀編程到電子保險(xiǎn)絲中。雖然這通常是一次性的過(guò)程，但也可以在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)保險(xiǎn)絲進(jìn)行重新編程，以適應(yīng)系統(tǒng)配置的變化（例如負(fù)載的更改、添加或移除）。
新型電子保險(xiǎn)絲將包含一系列跳閘曲線(xiàn)，用戶(hù)可通過(guò)串行通信對(duì)其進(jìn)行編程。
安森美積極與業(yè)內(nèi)設(shè)計(jì)人員合作定義曲線(xiàn)，以覆蓋盡可能多的當(dāng)前和未來(lái)保險(xiǎn)絲應(yīng)用用例。
（作者：Bart De Cock，安森美技術(shù)營(yíng)銷(xiāo)）
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