保險絲是汽車電路中歷史悠久的一個存在。當電路系統(tǒng)出現(xiàn)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(shè)備被整體毀壞，引發(fā)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(nèi)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(shè)備系統(tǒng)損壞或進一步危害發(fā)生。汽車電路中，傳統(tǒng)設(shè)計采用可熔斷型保險絲，很多保險絲密集設(shè)計在一個盒子內(nèi)，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(yīng)的負載遍布車身各處，這種設(shè)計難免造成線束繁多且走線復(fù)雜，增加電纜長度，重量和成本。而且，傳統(tǒng)保險絲僅提供基礎(chǔ)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(fù)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(tǒng)保險絲。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(shè)計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，可以降低電纜長度，并且eFuse的引入還可優(yōu)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(tǒng)的可更換保險絲的保險絲盒

eFuse作為傳統(tǒng)保險絲的替代，其擁有巨大的優(yōu)勢。
?可設(shè)置性高：可通過修改內(nèi)部寄存器或外圍器件參數(shù)來修改I2t保護參數(shù)設(shè)置來適應(yīng)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(shè)計成可替換引腳排布，不僅可以替換為同一代產(chǎn)品來實現(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?？梢灾С肿x取負載的電流信息，這對于主控了解負載的狀態(tài)至關(guān)重要但傳統(tǒng)保險絲無法實現(xiàn)這種功能。
?速度快：傳統(tǒng)保險絲是通過熱量積累最終熔斷設(shè)計來實現(xiàn)保護的，其不僅保護電流會受溫度影響較大，反應(yīng)速度也很慢，而eFuse直接采集電流信號，直接根據(jù)電流大小來確定保護行為發(fā)生，其速度提升巨大。

另外，eFuse還可以提供傳統(tǒng)保險絲無法提供的過壓保護等功能，其更精確的過流保護設(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成本。

eFuse有很多實現(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和控制整個電路運行，由運放、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(jù)性能和功能多少以及MOSFET外置還是內(nèi)置也會分幾大類。以安森美半導體的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，這是標準高邊開關(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負載電流。這個系列可以認為是傳統(tǒng)高邊開關(guān)的功能加強，用在最基礎(chǔ)的負載電源控制應(yīng)用。其擁有一些基礎(chǔ)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(yīng)。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(chǎn)品NIV3071，其也是屬于標準高邊開關(guān)的產(chǎn)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(yīng)用的場合。

圖2 NIV3071典型應(yīng)用電路框圖

功能完善的eFuse，SmartGuard-G系列，如NCV840xxG，這個系列可以認為是擁有eFuse的較為完整的功能。要模擬傳統(tǒng)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(shè)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(nèi)可自由設(shè)置的。同時，過電流限制也是由單獨電阻在額定范圍自由設(shè)置的，電流限制和I2t保護點設(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），在負載電流需求降低時可以降低電流消耗（關(guān)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(yīng)負載含有大電容時充電階段的應(yīng)對。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，負載數(shù)量越來越多，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采用直接連線來控制和反饋使得MCU的IO資源消耗越來越嚴重，甚至出現(xiàn)了增加IO擴展芯片來應(yīng)對eFuse通道數(shù)增加的設(shè)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(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)對大電流應(yīng)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(yù)防性維護的功能，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個類別，比如NCV760040，其為4通道非隔離結(jié)構(gòu)，在電流保護功能上接近于基礎(chǔ)功能的NCV840xxF系列，沒有I2t保護這樣的模擬傳統(tǒng)保險絲行為的功能，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，可以直接I2C讀取負載電流或通過CS讀取，所以eFuse產(chǎn)品呈現(xiàn)出多種多樣的特點，需要根據(jù)具體應(yīng)用來選擇合適的產(chǎn)品來獲得最佳的性價比。

圖3 NCV760040的應(yīng)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(tǒng)的電流保護功能。最基礎(chǔ)的是過流保護功能，eFuse通常具有可調(diào)的電流保護點設(shè)置能力，用以適應(yīng)不同的應(yīng)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(shè)置，通過外部電阻即可更改。除了過流關(guān)斷功能外，NCV840xxG還內(nèi)置了一項智能過載保護機制，以I2t函數(shù)形式模擬傳統(tǒng)熔斷保險絲的電流-時間特性曲線。當高電流持續(xù)導通時間超過設(shè)定的I2t限值時，內(nèi)置電路會強制輸出級關(guān)斷。該特性精確還原了傳統(tǒng)保險絲的電流-時間關(guān)系，使用戶能夠無縫替代傳統(tǒng)保險絲來在應(yīng)用中保護線束。

圖4 NCV84003G可以模擬傳統(tǒng)保險絲的I2t曲線

接下來我們來看一下應(yīng)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(guān)管承受非常高的應(yīng)力，在容性負載模式下降低的動態(tài)熱保護閾值用以保護開關(guān)管不被損壞，這種動態(tài)熱保護在外置MOSFET的結(jié)構(gòu)中或者分立器件方案中是難以實現(xiàn)的。由于過高的應(yīng)力會觸發(fā)如DTSD（動態(tài)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(fā)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(xù)監(jiān)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(tài)下長時間運行，還設(shè)計了由tmax_Cap指定的最大時間，內(nèi)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(yīng)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(shè)計的方案，內(nèi)置MOSFET的eFuse方案擁有更加可靠的熱保護能力。NCV840xxG內(nèi)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(fā)生，任何一種保護觸發(fā)都會讓開關(guān)關(guān)閉輸出。絕對值溫度保護的方式比較傳統(tǒng)，當芯片內(nèi)部的溫度達到設(shè)定閾值TTSD時，開關(guān)關(guān)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(jié)溫的快速上升會在器件內(nèi)部產(chǎn)生嚴重的溫度梯度。當這種溫度梯度差變化達到規(guī)定閾值TDTSD時，相對值溫度保護功能被激活，從而關(guān)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(tài)應(yīng)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(fā)展加深，保險絲這個傳統(tǒng)上不被重視的器件也迎來了快速發(fā)展時期，并且還在快速發(fā)展中。傳統(tǒng)的保險絲正逐步被功能強大的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eFuse的發(fā)展也極大幫助了汽車電路架構(gòu)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(fā)展時期，其技術(shù)已經(jīng)不單純追求模擬傳統(tǒng)的保險絲的行為，因為傳統(tǒng)保險絲并非擁有最優(yōu)的特性。比如eFuse已經(jīng)擁有了超越傳統(tǒng)保險絲的電流檢測保護精度，尤其考慮到不同的環(huán)境溫度這個優(yōu)勢更加明顯。eFuse也已經(jīng)可以模擬傳統(tǒng)保險絲的I2t特性，但傳統(tǒng)保險絲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，其曲線點和參數(shù)可通過I2C或SPI等串行通信協(xié)議進行編程設(shè)定。eFuse已經(jīng)超越傳統(tǒng)保險絲，并且這種優(yōu)勢還會逐步擴大，了解eFuse的特點并且在設(shè)計初期把eFuse考慮進電路設(shè)計架構(gòu)中已經(jīng)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。

審核編輯 黃宇