eFuse如何助力汽車電氣化

保險絲是汽車電路中歷史悠久的一個存在。當電路系統出現故障時比如某個負載損壞，其后果可能是危險的，比如負載短路引起設備被整體毀壞，引發起火等更進一步的嚴重危害。保險絲是抵御這些危險過載和短路的重要元件。保險絲內含金屬線或金屬條，當電流過大時會熔斷，切斷電路并防止設備系統損壞或進一步危害發生。汽車電路中，傳統設計采用可熔斷型保險絲，很多保險絲密集設計在一個盒子內，其位置一般會放置在需要更換時方便打開的地方。但由于過于集中在同一位置，而保險絲對應的負載遍布車身各處，這種設計難免造成線束繁多且走線復雜，增加電纜長度，重量和成本。而且，傳統保險絲僅提供基礎的過流過載的保護，無法提供如過壓，精確過流控制，電流反饋，診斷等復雜的保護和功能。eFuse（電子保險絲）是一種集成電路，可以替代以上提到的傳統保險絲。eFuse集成了控制電路，大部分產品也集成了MOSFET，其功能不僅僅是保護電路，更是負責給負載分配電源并提供多種保護功能的PD電源分配電路。并且，采用eFuse設計的汽車電路一般采用分布式布局的電源分配結構，這種布局降低了布線復雜度，可以降低電纜長度，并且eFuse的引入還可優化布線線徑（過流保護更精準），從而減少了電纜的使用長度和總體重量。

圖1 汽車傳統的可更換保險絲的保險絲盒

eFuse作為傳統保險絲的替代，其擁有巨大的優勢。

· 可設置性高：可通過修改內部寄存器或外圍器件參數來修改I2t保護參數設置來適應保護不同的線束類別。

· 可升級性好：通常eFuse同一系列甚至不同系列都是設計成可替換引腳排布，不僅可以替換為同一代產品來實現某些性能提升（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載的電流信息，這對于主控了解負載的狀態至關重要但傳統保險絲無法實現這種功能。

· 速度快：傳統保險絲是通過熱量積累最終熔斷設計來實現保護的，其不僅保護電流會受溫度影響較大，反應速度也很慢，而eFuse直接采集電流信號，直接根據電流大小來確定保護行為發生，其速度提升巨大。

另外，eFuse還可以提供傳統保險絲無法提供的過壓保護等功能，其更精確的過流保護設置可以優化線束的線徑從而減低重量和成本，其可調整可設置的自恢復特性有助于減低維護成本。

eFuse有很多實現方案，比較傳統的分立式方案現在已經不太常用，其使用MOSFET以及外圍分立器件檢測和控制整個電路運行，由運放、比較器、電阻、電容等構成，這種傳統分立式方案電路復雜但性能一般。無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芯片中，其根據性能和功能多少以及MOSFET外置還是內置也會分幾大類。以安森美半導體的eFuse產品為例，其按照功能多少以及是否內置MOSFET劃分成了四大類別，以適應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功能的需求在內置MOSFET方案中選擇最適合的一類。

首先是SmartFET–F系列，如NCV840xxF，這是標準高邊開關系列。MOSFET內置，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負載電流。這個系列可以認為是傳統高邊開關的功能加強，用在最基礎的負載電源控制應用。其擁有一些基礎功能：高精度負載電流檢測，錯誤反饋，智能重啟（適用于短路或浪涌電流如電容充電場合），快速熱響應。這個入門系列沒有eFuse最重要的一個功能，用來模擬真正保險絲的I2t保護功能。另外需要提到一個產品NIV3071，其也是屬于標準高邊開關的產品，其擁有4個獨立通道（可不同電壓獨立供電）且耐受60V的電壓，可以支持多路高壓應用的場合。

圖2 NIV3071典型應用電路框圖

功能完善的eFuse，SmartGuard-G系列，如NCV840xxG，這個系列可以認為是擁有eFuse的較為完整的功能。要模擬傳統保險絲的熔斷行為，最重要的功能是I2t保護功能，在G系列當中不僅支持可設置的I2t保護功能，并且I2t保護電流水平是可由電阻在額定的范圍內可自由設置的。同時，過電流限制也是由單獨電阻在額定范圍自由設置的，電流限制和I2t保護點設置互不影響可以自由組合設置。其擁有低功耗模式（Low Power IDEL Mode），在負載電流需求降低時可以降低電流消耗（關閉一部分保護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，用以適應負載含有大電容時充電階段的應對。SmartGuard-G系列是功能較為完善的內置MOSFET的eFuse產品。

SmartSPI–S系列是擁有SPI接口的eFuse，隨著汽車電氣化的推進，負載數量越來越多，區域控制器需要分配的電源通道數也一直在增加，傳統eFuse采用直接連線來控制和反饋使得MCU的IO資源消耗越來越嚴重，甚至出現了增加IO擴展芯片來應對eFuse通道數增加的設計。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SPI總線上，這極大減輕了對MCU的IO資源的消耗。這個系列的產品電流采樣直接數字化輸出同樣降低了MCU資源的需求。

SmartDriver系列是SPI控制的eFuse高邊預驅，采用外置MOSFET架構以應對大電流應用（30A以上的負載）。其擁有非常完整的功能，除了包含以上幾個系列提到的功能，其還有看門狗以及預防性維護的功能，電壓和溫度信息直接數字化輸出。

并非所有的產品都可以歸為以上4個類別，比如NCV760040，其為4通道非隔離結構，在電流保護功能上接近于基礎功能的NCV840xxF系列，沒有I2t保護這樣的模擬傳統保險絲行為的功能，但是其具有I2C通信能力，狀態讀取以及診斷反饋能力比較強，可以直接I2C讀取負載電流或通過CS讀取，所以eFuse產品呈現出多種多樣的特點，需要根據具體應用來選擇合適的產品來獲得最佳的性價比。

圖3 NCV760040的應用電路框圖

接下來介紹幾個eFuse最重要的功能，首先介紹保險絲最傳統的電流保護功能。最基礎的是過流保護功能，eFuse通常具有可調的電流保護點設置能力，用以適應不同的應用場合和負載，以NCV840xxG為例，其電流保護點可以在25%到75%之間以及最大值100%自由設置，通過外部電阻即可更改。除了過流關斷功能外，NCV840xxG還內置了一項智能過載保護機制，以I2t函數形式模擬傳統熔斷保險絲的電流-時間特性曲線。當高電流持續導通時間超過設定的I2t限值時，內置電路會強制輸出級關斷。該特性精確還原了傳統保險絲的電流-時間關系，使用戶能夠無縫替代傳統保險絲來在應用中保護線束。

圖4 NCV84003G可以模擬傳統保險絲的I2t曲線

接下來我們來看一下應對容性負載的功能。NCV840xxG系列擁有先進的容性負載處理能力，用在擁有大電容特性的負載場合。進入容性負載模式是自動的，作為默認的從睡眠模式的開通策略，IN引腳的使能會讓器件自動進入容性負載模式。容性負載模式下，會主動降低斜率使得開通是逐漸進行的。由于容性負載的開通會使得開關管承受非常高的應力，在容性負載模式下降低的動態熱保護閾值用以保護開關管不被損壞，這種動態熱保護在外置MOSFET的結構中或者分立器件方案中是難以實現的。由于過高的應力會觸發如DTSD（動態熱保護）或過流保護等，重試策略保證負載被完全充電至完成。

容性負載模式的退出是可以由多種條件觸發的，基于Vds檢測的自動退出至正常模式，當電容性負載被充電時，輸出電壓會逐漸增加。Vds會被持續監測，一旦達到由Vds_Norm定義的閾值，器件將退出至正常模式。此外，為避免在此狀態下長時間運行，還設計了由tmax_Cap指定的最大時間，內置計時器保證最大50ms的容性模式運行時間，還可以通過CS_EN引腳來控制退出容性負載運行模式。當然，對于不需要容性負載的應用場合，也有特定的操作可以直接進入正常模式。

圖5電阻負載電壓波形：左圖為容性模式，右圖為正常模式

過溫保護能力，相對于使用分立器件設計的方案，內置MOSFET的eFuse方案擁有更加可靠的熱保護能力。NCV840xxG內置了2種過溫保護機制，是基于兩種測溫方式：絕對值和相對值。為了防止損壞發生，任何一種保護觸發都會讓開關關閉輸出。絕對值溫度保護的方式比較傳統，當芯片內部的溫度達到設定閾值TTSD時，開關關閉輸出用以保護電路不被損壞，然后核心溫度會緩慢降低，當溫度下降一定的閾值TTSD_HYS時，電路可以重新啟動。而相對值保護適用于在長時間高功率耗散條件下，結溫的快速上升會在器件內部產生嚴重的溫度梯度。當這種溫度梯度差變化達到規定閾值TDTSD時，相對值溫度保護功能被激活，從而關閉器件。需要注意的是，在電容性負載模式下，TDTSD閾值會降低至TDTSD_CL，以限制在給電容性負載充電時器件承受的瞬態應力。此外，熱保護將在芯片的差分或絕對熱極限被超出時覆蓋I2t保護。

隨著汽車電氣化的發展加深，保險絲這個傳統上不被重視的器件也迎來了快速發展時期，并且還在快速發展中。傳統的保險絲正逐步被功能強大的eFuse所取代。汽車電路的架構也由集中式向著分布式的架構發展。同時eFuse的發展也極大幫助了汽車電路架構的革新，加強了汽車電路可靠性的同時幫助整體電纜減低長度與線徑，使得總體成本、體積、重量得以降低。eFuse還依然處于高速發展時期，其技術已經不單純追求模擬傳統的保險絲的行為，因為傳統保險絲并非擁有最優的特性。比如eFuse已經擁有了超越傳統保險絲的電流檢測保護精度，尤其考慮到不同的環境溫度這個優勢更加明顯。eFuse也已經可以模擬傳統保險絲的I2t特性，但傳統保險絲I2t行為并非是應用需要的理想行為，安森美目前正在研發能在非恒定I2t條件下工作的eFuse，其曲線點和參數可通過I2C或SPI等串行通信協議進行編程設定。eFuse已經超越傳統保險絲，并且這種優勢還會逐步擴大，了解eFuse的特點并且在設計初期把eFuse考慮進電路設計架構中已經變得越來越重要，希望此文可以幫助您初步了解eFuse的特點和功能。