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。

如何使用电子保险丝克服传统保护器件的局限性

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。

如何使用电子保险丝克服传统保护器件的局限性

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。

如何使用电子保险丝克服传统保护器件的局限性

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 VDC、65 VTR 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 RDSon 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 (TJ) 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 RDSon = 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。

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