如何使用电子保险丝克服传统保护器件的局限性

在现代汽车和工业应用中，可靠性至关重要。从汽车域控制器，到工业应用中的计算机数控等产品，无论最终产品是简单还是复杂，如果不能保证可靠性，就很可能损害制造商的声誉。此外，还需要考虑保修维修的成本，甚至是召回产品的成本。
然而，电子电路总归都会出现故障，可能是由于外部影响，也可能是由于组件随时间推移性能下降而引起。因此，根据良好的设计实践，建议采用电路保护器件，以确保将故障的影响降至最低。
本文介绍了标准电路保护器件的局限性，以及如何利用电子保险丝改进设计。
最常见（且成本最低）的电路保护形式就是普通的保险丝。此类保险丝通常基于熔点温度较低的金属丝或薄金属带。保险丝通常被插入电源供电线路中，超过额定电流时，保险丝中产生的热量会使金属丝/金属带熔断，从而使电路与电源断开连接。
这种断开通常不是瞬时的，保险丝“熔断”所需的时间与故障电流大小成反比。如果电流仅略高于保险丝额定值，它可能会继续通过一段时间，从而影响供电轨，导致电路故障或损坏。
保险丝的使用并不方便；一旦保险丝熔断，就需要更换（通常需要由用户进行更换）。如果用户（无意或故意）使用了错误的额定值，则会构成火灾风险。

图 1：保险丝和 PPTC 热敏电阻通常用于电路保护

对于电路保护，还可以使用其他器件，如正温度系数 (PTC) 热敏电阻。这些安装在 PCB 上的器件电阻会随着温度升高而增加，从而限制电流流动。只要过流不太大（否则 PTC 热敏电阻将变为开路），随着电流的减小，温度将会下降，并恢复正常运行。
虽然不再需要更换保险丝，但 PTC 热敏电阻是非线性的，而且鉴于其工作原理，不适用于宽温度范围的应用。

电子保险丝
电子保险丝（也称 eFuses，此术语由安森美 (onsemi) 在首次推出此类器件时创造）是当今提供基本的电路保护功能以及许多附加功能的一种替代方案。通常，它们能够提供过流（包括短路）、过压、反向电流和过热保护。
尽管这些创新器件有许多应用领域，但它们通常用于热插拔情况，或者经常出现电源故障的场景。此外，还可用于极有可能发生负载故障的应用，或需要限制浪涌电流的系统。
使能引脚与高精度电流控制机制相结合，使该器件融合了负载开关和保险丝的功能，成为现代配电架构中负载点控制系统的基本构建模块。
电子保险丝的主要优势在于灵活性和自动复位功能，无需用户进行干预。作为智能器件，这些额外特性使电子保险丝能够在系统中实现更多功能，而不仅限于过压/过流保护（电子保险丝在这些方面表现出色）。
例如，许多电子保险丝都包括power good（“PGOOD”）引脚，可以与系统控制器配合使用，精确地按序导通供电轨。一些电子保险丝还包括三态引脚，可用于确保同时导通和关断多个供电轨。
电子保险丝能够检测反向电流（传统保险丝无法实现），因此在需要 ORing 的冗余电源应用中非常有用。此外，也适用于在系统关断后需要大容量电容保持电荷的情况，通常用于限制启动时的浪涌电流。

图 2：电子保险丝提供多种功能来增强保护。

在许多应用中，电容（或容性负载）可能会带来挑战，导致较大的涌入电流，从而可能损坏元件或 PCB 线路。电子保险丝可以提供多种功能来帮助设计人员解决这一问题，例如自恢复或限制浪涌电流，使电容以受控方式充电。
作为智能器件，电子保险丝可以监测温度、电压和电流，并将数据传递给系统控制器。这在检测故障早期预警信号时尤为有用。

汽车应用中的电子保险丝
随着越来越多的技术被应用到汽车中，为确保可靠运行和防止损坏，对于电路保护的需求也随之增加。电路保护在汽车中尤为重要，因为电池的电流能力足以破坏精密的电子元件。
电子保险丝通常用于子系统（例如抬头显示器或信息娱乐系统）的电力线中，以便在发生故障时断开和关闭这些系统。
在部分位于车辆外部的系统中，外部元件损坏可能会导致短路，从而损坏内部电路。例如车载资讯系统，其外部 LNA 和 GPS 天线通过电子保险丝连接，以保护车内电路。
如果将车辆系统划分为不同区域，则可以在系统内级联电子保险丝，提供整体保护以及子系统保护。

图 3：有时汽车域控应用中会使用级联电子保险丝。

例如，在先进驾驶辅助系统 (ADAS) 域控制器中，可以在电源和主系统之间连接主保险丝，而次级保险丝可以用于保护系统外设，如外部安装的超声波停车辅助传感器单元。
现代汽车中的线束是一个复杂的子系统。一旦车辆组装完成，线束的更换成本高且操作困难，因此保护至关重要。线束连接着许多耗电设备（风扇、车窗电机、空调、其他执行器）。通常在这些系统前会使用保险丝，从而保护线束免受过大电流的影响。

最新电子保险丝技术示例
安森美 NIV(S)3071 是一款 60 V_DC、65 V_TR 的电子保险丝，将四个独立通道集成到单个 5.0 mm x 6.0 mm 封装中，每个通道可支持高达 2.5A 的连续电流（共 10A）。每个通道的 R_DSon 值仅为 80 mΩ，确保将电子保险丝内的能耗降至最低。
所有通道都具备可配置电流限制，其他功能包括输出电压箝位、指示故障的数字标志、可配置的电流动作时间以及固定的 1 ms 软启动。
NIV3071 能够在 -40ºC 到 +150ºC 的结温 (T_J) 范围内工作，并提供 2 kV 的 ESD 保护，非常适用于要求苛刻的汽车应用，包括 12V 和 48V。
NIV(S)4461 是一款电子保险丝，可在工业自动化、电信、计算等应用中提供过流、欠压和浪涌电流保护。该器件可支持电压高达 360 V 的连续电流。
该器件的显著特点包括低电阻（典型 R_DSon = 39 mΩ）和快速动作时间。该器件还包括可编程电流限制 (21-157A)、欠压和可调摆率控制。用户可配置的功能包括闩锁和自恢复。
NIV(S)4461 采用 DFNN1024 封装，尺寸仅为 3.0 mm x 3.0 mm。它采用行业标准引脚布局，符合 UL2367 和 IEC62368 标准。

总结
电路保护是现代设计的重要组成部分，能够确保电路和系统可靠性，并在发生故障或意外情况时最大程度地减少损坏。
尽管传统保险丝提供了一定程度的保护，但现代电子保险丝具备更高的精度、更大的灵活性和更广泛的功能集，显著提高了保护水平。