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    使用電子保險絲克服傳統保護器件的局限性

    2023-12-18 11:43:55 安森美

    在現代汽車和工業應用中,可靠性至關重要。從汽車域控制器,到工業應用中的計算機數控等產品,無論最終產品是簡單還是復雜,如果不能保證可靠性,就很可能損害制造商的聲譽。此外,還需要考慮保修維修的成本,甚至是召回產品的成本。

    然而,電子電路總歸都會出現故障,可能是由于外部影響,也可能是由于組件隨時間推移性能下降而引起。因此,根據良好的設計實踐,建議采用電路保護器件,以確保將故障的影響降至最低。

    本文介紹了標準電路保護器件的局限性,以及如何利用電子保險絲改進設計。

    最常見(且成本最低)的電路保護形式就是普通的保險絲。此類保險絲通?;谌埸c溫度較低的金屬絲或薄金屬帶。保險絲通常被插入電源供電線路中,超過額定電流時,保險絲中產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絲額定值,它可能會繼續通過一段時間,從而影響供電軌,導致電路故障或損壞。

    保險絲的使用并不方便;一旦保險絲熔斷,就需要更換(通常需要由用戶進行更換)。如果用戶(無意或故意)使用了錯誤的額定值,則會構成火災風險。

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    圖 1:保險絲和 PPTC 熱敏電阻通常用于電路保護

    對于電路保護,還可以使用其他器件,如正溫度系數 (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。只要過流不太大(否則 PTC 熱敏電阻將變為開路),隨著電流的減小,溫度將會下降,并恢復正常運行。

    雖然不再需要更換保險絲,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用。

     電子保險絲

     電子保險絲(也稱 eFuses,此術語由安森美 (onsemi) 在首次推出此類器件時創造)是當今提供基本的電路保護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。

    盡管這些創新器件有許多應用領域,但它們通常用于熱插拔情況,或者經常出現電源故障的場景。此外,還可用于極有可能發生負載故障的應用,或需要限制浪涌電流的系統。

    使能引腳與高精度電流控制機制相結合,使該器件融合了負載開關和保險絲的功能,成為現代配電架構中負載點控制系統的基本構建模塊。

     電子保險絲的主要優勢在于靈活性和自動復位功能,無需用戶進行干預。作為智能器件,這些額外特性使電子保險絲能夠在系統中實現更多功能,而不僅限于過壓/過流保護(電子保險絲在這些方面表現出色)。

    例如,許多電子保險絲都包括power good(“PGOOD”)引腳,可以與系統控制器配合使用,精確地按序導通供電軌。一些電子保險絲還包括三態引腳,可用于確保同時導通和關斷多個供電軌。

    電子保險絲能夠檢測反向電流(傳統保險絲無法實現),因此在需要 ORing 的冗余電源應用中非常有用。此外,也適用于在系統關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。

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    圖 2:電子保險絲提供多種功能來增強保護。

    在許多應用中,電容(或容性負載)可能會帶來挑戰,導致較大的涌入電流,從而可能損壞元件或 PCB 線路。電子保險絲可以提供多種功能來幫助設計人員解決這一問題,例如自恢復或限制浪涌電流,使電容以受控方式充電。

    作為智能器件,電子保險絲可以監測溫度、電壓和電流,并將數據傳遞給系統控制器。這在檢測故障早期預警信號時尤為有用。

    汽車應用中的電子保險絲

     隨著越來越多的技術被應用到汽車中,為確??煽窟\行和防止損壞,對于電路保護的需求也隨之增加。電路保護在汽車中尤為重要,因為電池的電流能力足以破壞精密的電子元件。

    電子保險絲通常用于子系統(例如抬頭顯示器或信息娛樂系統)的電力線中,以便在發生故障時斷開和關閉這些系統。

    在部分位于車輛外部的系統中,外部元件損壞可能會導致短路,從而損壞內部電路。例如車載資訊系統,其外部 LNA 和 GPS 天線通過電子保險絲連接,以保護車內電路。

    如果將車輛系統劃分為不同區域,則可以在系統內級聯電子保險絲,提供整體保護以及子系統保護。

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    圖 3:有時汽車域控應用中會使用級聯電子保險絲。 

    例如,在先進駕駛輔助系統 (ADAS) 域控制器中,可以在電源和主系統之間連接主保險絲,而次級保險絲可以用于保護系統外設,如外部安裝的超聲波停車輔助傳感器單元。

     現代汽車中的線束是一個復雜的子系統。一旦車輛組裝完成,線束的更換成本高且操作困難,因此保護至關重要。線束連接著許多耗電設備(風扇、車窗電機、空調、其他執行器)。通常在這些系統前會使用保險絲,從而保護線束免受過大電流的影響。

    最新電子保險絲技術示例

    安森美 NIV(S)3071 是一款 60 VDC、65 VTR 的電子保險絲,將四個獨立通道集成到單個 5.0 mm x 6.0 mm 封裝中,每個通道可支持高達 2.5A 的連續電流(共 10A)。每個通道的 RDSon 值僅為 80 mΩ,確保將電子保險絲內的能耗降至最低。

    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、指示故障的數字標志、可配置的電流動作時間以及固定的 1 ms 軟啟動。

    NIV3071 能夠在 -40oC 到 +150oC 的結溫 (TJ) 范圍內工作,并提供 2 kV 的 ESD 保護,非常適用于要求苛刻的汽車應用,包括 12V 和 48V。

    NIV(S)4461 是一款電子保險絲,可在工業自動化、電信、計算等應用中提供過流、欠壓和浪涌電流保護。該器件可支持電壓高達 360 V 的連續電流。

    該器件的顯著特點包括低電阻(典型 RDSon = 39 mΩ)和快速動作時間。該器件還包括可編程電流限制 (21-157A)、欠壓和可調擺率控制。用戶可配置的功能包括閂鎖和自恢復。

     NIV(S)4461 采用 DFNN1024 封裝,尺寸僅為 3.0 mm x 3.0 mm。它采用行業標準引腳布局,符合 UL2367 和 IEC62368 標準。

    總結

    電路保護是現代設計的重要組成部分,能夠確保電路和系統可靠性,并在發生故障或意外情況時最大程度地減少損壞。

    盡管傳統保險絲提供了一定程度的保護,但現代電子保險絲具備更高的精度、更大的靈活性和更廣泛的功能集,顯著提高了保護水平

    關鍵詞: 電子保險絲

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