超越傳統(tǒng)保護(hù)器件束縛：電子保險(xiǎn)絲的創(chuàng)新應(yīng)用與局限性突破

最常見(且成本最低)的電路保護(hù)形式就是普通的保險(xiǎn)絲。此類保險(xiǎn)絲通常基于熔點(diǎn)溫度較低的金屬絲或薄金屬帶。保險(xiǎn)絲通常被插入電源供電線路中，超過額定電流時，保險(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)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(xiǎn)絲的使用并不方便;一旦保險(xiǎn)絲熔斷，就需要更換(通常需要由用戶進(jìn)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(xiǎn)。

對于電路保護(hù)，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。只要過電流不過大(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(yùn)行。

雖然不再需要更換保險(xiǎn)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(xiǎn)絲

電子保險(xiǎn)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(hù)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(hù)。

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(fù)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(jī)制相結(jié)合，使該器件融合了負(fù)載開關(guān)和保險(xiǎn)絲的功能，成為現(xiàn)代配電架構(gòu)中負(fù)載點(diǎn)控制系統(tǒng)的基本構(gòu)建模塊。

電子保險(xiǎn)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(jìn)行干預(yù)。作為智能器件，這些額外特性使電子保險(xiǎn)絲能夠在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)更多功能，而不僅限于過壓/過流保護(hù)(電子保險(xiǎn)絲在這些方面表現(xiàn)出色)。

例如，許多電子保險(xiǎn)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╇娷墶Ｒ恍╇娮颖ｋU(xiǎn)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(xiǎn)絲能夠檢測反向電流(傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲無法實(shí)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 1：電子保險(xiǎn)絲提供多種功能來增強(qiáng)保護(hù)

在許多應(yīng)用中，電容(或容性負(fù)載)可能會帶來挑戰(zhàn)，導(dǎo)致較大的浪涌電流，從而可能損壞元件或 PCB 線路。電子保險(xiǎn)絲可以提供多種功能來幫助設(shè)計(jì)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(xiǎn)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(xiǎn)絲

隨著汽車中融合越來越多的技術(shù)，為確保可靠運(yùn)行和防止損壞，對于電路保護(hù)的需求也隨之增加。電路保護(hù)在汽車中尤為重要，因?yàn)殡姵氐碾娏髂芰ψ阋云茐木艿碾娮釉?/span>

電子保險(xiǎn)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(xiǎn)絲連接，以保護(hù)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(xiǎn)絲，提供整體保護(hù)以及子系統(tǒng)保護(hù)。

圖 2：有時汽車區(qū)域控制應(yīng)用中會使用級聯(lián)電子保險(xiǎn)絲

例如，在先進(jìn)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(xiǎn)絲，而次級保險(xiǎn)絲可以用于保護(hù)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(hù)至關(guān)重要。線束連接著許多耗電設(shè)備(風(fēng)扇、車窗電機(jī)、空調(diào)、其他執(zhí)行器)。通常在這些系統(tǒng)前會使用保險(xiǎn)絲，從而保護(hù)線束免受過大電流的影響。

最新電子保險(xiǎn)絲技術(shù)示例

安森美 NIV(S)3071 是一款 60 VDC、65 VTR 的電子保險(xiǎn)絲，將四個獨(dú)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(dá) 2.5 A 的連續(xù)電流(共 10 A)。每個通道的 RDSon 值僅為 80 mΩ，確保將電子保險(xiǎn)絲內(nèi)的能耗降至更低水平。

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(biāo)志、可配置的電流跳閘時間以及固定的 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(hù)，非常適用于要求苛刻的汽車應(yīng)用，包括 12 V 和 48 V。

NIV(S)4461 是一款電子保險(xiǎn)絲，可在工業(yè)自動化、電信、計(jì)算等應(yīng)用中提供過流、欠壓和浪涌電流保護(hù)。該器件可支持高達(dá) 360 V 電壓，以及高達(dá) 4.2 A 的連續(xù)電流。

該器件的顯著特點(diǎn)包括低電阻(典型 RDSon = 39 mΩ)和快速跳閘時間。該器件還包括可編程電流限制 (21-157A)、欠壓和可調(diào)轉(zhuǎn)換速率控制。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(biāo)準(zhǔn)引腳布局，符合 UL2367 和 IEC62368 標(biāo)準(zhǔn)。