【導讀】隨著車輛電子設備日益復雜，為系統中的所有元件提供正確且充分的保護對于安全性和可靠性至關重要。整車廠商逐漸摒棄傳統的刀片式保險絲，轉而青睞電子保險絲 (eFuse) 帶來的優勢。本文將介紹如何以類似于傳統保險絲的方式操作電子保險絲，并對未來通過編程使電子保險絲模擬傳統保險絲的前景進行展望。
隨著車輛電子設備日益復雜，為系統中的所有元件提供正確且充分的保護對于安全性和可靠性至關重要。整車廠商逐漸摒棄傳統的刀片式保險絲，轉而青睞電子保險絲 (eFuse) 帶來的優勢。
本文將介紹如何以類似于傳統保險絲的方式操作電子保險絲，并對未來通過編程使電子保險絲模擬傳統保險絲的前景進行展望。
這些可編程器件旨在保護電源線免受過電流、過壓和短路情況的損害。傳統保險絲在故障出現時從物理上切斷電路，而電子保險絲與之不同，它可以復位和重新配置，這使其成為一種更靈活且可重復使用的方案。電子保險絲通常用于現代電子設備，例如智能手機、平板電腦和筆記本電腦，在這些設備中，精確可靠的保護至關重要。如今，電子保險絲越來越多地應用于更具挑戰性的環境中，包括汽車領域。
事實上，電子保險絲很快將成為所有汽車系統的關鍵元件，保護器件及子系統免受過電流情況的影響，從而避免因損壞和可靠性而帶來額外成本。
每個電子保險絲都有一條跳變曲線，該曲線定義電子保險絲斷開負載的方式和時機。由于應用場景各異，因此跳變點需要調整，最常見的調整方法是在一個專用引腳上連接一個外部電阻。然而，正如本文將介紹的，電子保險絲所需的跳變方式可能很復雜，除了電流之外，還需要考慮其他因素。
為了讓設計人員在部署電子保險絲時擁有更大的靈活性，安森美正在開發新一代器件，這些器件將允許以數字方式修改跳變曲線的形狀和范圍。 為了更好地掌握在設計中使用電子保險絲的方法，設計人員應深入了解為電子保險絲設計跳變曲線時應遵循的流程。
熱阻抗分析：第一步是了解電子保險絲的物理屬性及其部署環境。這是為了確保在條件可能大幅波動的環境中準確評估熱響應。這一點至關重要，因為熱應力超過器件（包括電子保險絲）的承受能力是電源系統最常見的故障模式之一。隨著幾何尺寸的持續微型化，如果不進行全面分析，發生此類故障的可能性將會增加。
理解熱效應的關鍵是熱傳遞階梯（圖 1），它通過構成電子保險絲的各層和材料，將半導體結與環境空氣相連，另請參閱應用手冊 AND9733 - 帶模擬電流檢測的高側 SmartFET (onsemi.com)。
圖 1 – 通用電子保險絲應用的熱傳遞階梯
這有助于理解大電流脈沖如何在整個系統中傳遞熱能。簡而言之，脈沖持續時間越長，熱量傳播距離越遠。持續時間小于 10 ms 的脈沖會留在封裝內，而持續時間更長的脈沖會傳播到 PCB 上并在那里耗散。這是由器件和周圍元件（例如 PCB）的熱容所導致的。
PCB 的結構將因其布局和層疊方式對熱性能產生顯著影響。層數、銅層重量以及是否存在電源層和接地層等因素都會影響熱性能，如圖 2 中的仿真結果所示。 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 安裝在單信號層 PCB 上，銅面積最小且無電源層
· 中圖 1s0p_1InCu：TSSOP14 安裝在單信號層 PCB 上，銅面積為 1 平方英寸且無電源層
· 右圖 2s2p_1InCu：TSSOP14 安裝在雙信號層 PCB 上，銅面積為 1 平方英寸且有 2 個電源層
圖 2 – 電子保險絲應用中的熱效應仿真
第一步，通過分析穩態電流，可根據熱阻抗 (oC/W)、環境溫度和最高結溫來確定電子保險絲的 RDS(ON)。據此，設計人員將能夠計算出工作極限。
第二步是在施加各種持續時間更短且電流更大的脈沖時，對電子保險絲應用中的熱效應進行仿真。 然后，可繪制熱阻抗與電流脈沖時長之間的關系圖：
圖 3 – 熱阻抗具有瞬態性
圖 3 清楚地展示了熱阻抗如何隨脈沖時長而變化，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，例如通過增加層數、使用更厚的銅層或在外殼上添加散熱焊盤等措施。 然而，對于較短的脈沖，RDS(ON) 和芯片尺寸等因素會影響曲線的形狀，而對于較長的脈沖，PCB 的影響則更為顯著。
必須針對每個應用單獨定義并理解這個曲線，這對于為應用選擇合適的電子保險絲至關重要。這就要求設計人員了解通過電子保險絲的電流特性，尤其是脈沖的幅度和持續時間。
應用熱要求：熱阻抗曲線反映了熱阻抗與時間的關系，而保險絲需要時間與電流的關系。 電子保險絲的熱限制曲線可以通過反轉其熱阻抗曲線得出，但需要一些假設條件，包括 RDS(ON) 和 ?t（芯片溫度可接受的變化量）。
圖 4 – 電子保險絲的熱限制曲線
由此得出的曲線展示了將結溫 (Tj) 的上升幅度限制在設計標準之內的最大電流脈沖持續時間。通常，良好的設計實踐會采用絕對過電流保護，并預留幾度的溫度緩沖。
確定 I2t 與電流的關系：I2t 是電子保險絲相關討論中常提及的一個重要參數。它主要與線束中的電流有關，如果電流過高，可能會造成損壞。對于傳統保險絲，I2t 通常與標稱保險絲電流值一起列為常數。 圖 5 中的藍線展示了恒定的 I2t 值。
圖 5 – 將 I2t 設為常數會限制應用
然而，采用這種方法意味著無法充分利用系統的全部散熱能力，這可能導致性能下降。實際上，線束并不需要恒定的 I2t（直線），因為在較低電流下，較長的持續時間是可行的。
采用恒定的 I2t 會限制可連接到電子保險絲的負載，因此，在電子保險絲中將 I2t 設為近似曲線非常重要。這樣一來，跳變點就會接近（但不會超過）電子保險絲的極限線。
如果我們看一下刀片式保險絲的典型曲線，就會更清楚地發現恒定 I2t 的局限性。
圖 6 – 典型刀片式保險絲特性曲線
雖然曲線的較低部分主要由 I2t 決定，但如果對 I2t 采用簡單（直線）方法，則曲線的較高部分（即允許在較低電流下持續更長時間的部分）就不會存在。
展望未來
憑借對影響電子保險絲的熱因素、跳變曲線以及與非恒定 I2t 關系的深入了解，安森美正在積極研發可針對特定應用編程的電子保險絲技術。
通過串行通信（I2C 或 SPI），可將所需的跳變曲線形狀編程到電子保險絲中。雖然這通常是一次性的過程，但也可以在現場對保險絲進行重新編程，以適應系統配置的變化（例如負載的更改、添加或移除）。
新型電子保險絲將包含一系列跳閘曲線，用戶可通過串行通信對其進行編程。
安森美積極與業內設計人員合作定義曲線，以覆蓋盡可能多的當前和未來保險絲應用用例。
（作者：Bart De Cock，安森美技術營銷）
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