需要更复杂的电子保险丝特性和功能吗？问一下汽车设计人员

基本的热激活易熔连接——更确切地说是保险丝，从电和电力的最早时代起就一直伴随着人们。保险丝只有一种作用，而且效果很好：当电流过大并导致其元件熔化时，保险丝会在几毫秒到几秒钟的时间内（具体取决于型号）从一个接近完美的电流导体变成接近理想的开路。

只要选择了保险丝，安装、使用就变成一项简单的工作，因为我们无需为保险丝选择连接方式，无需进行初始化或配置。保险丝只是一个提供关键电路保护的双端设备，可使设计更容易地满足许多监管和安全要求。

保险丝有无数种物理配置和额定电流，但其中有一些是比较常见的。比较常见保险丝样式有 3AG 玻璃保险丝（直径为 1/4 英寸，长 1¼ 英寸），通常用于较小的商业、工业保险丝以及一些线路操作的消费类保险丝；此外，还有广泛应用于汽车领域的刀片式保险丝（图 1）。


图 1：3AG 款式保险丝是最早的大众化保险丝样式之一，目前仍在使用（左）；而汽车行业最终采用了更薄的刀片式保险丝本体（右）。（图片来源：Littelfuse, Inc.）

具有讽刺意味的是，3AG 竟然是“3 号汽车玻璃”的简称，最初是在 1930 年代为汽车设计的。然而，随着汽车中保险丝使用量的增加，汽车行业不再使用 3AG，而是开发出了刀片式保险丝。

尽管保险丝有许多有益的特性，也获得了巨大成功，每年使用量有数百万（或数十亿？）之多就是见证，但时代和设计需求都在不断的变化。近年来，电子保险丝（通常写成 eFuse 或 e-Fuse）已成为一种广泛使用的替代品，或者说是对热保险丝产品的补充。有些设计同时采用了电子保险丝和热保险丝，前者用于局部电路保护，后者用于系统级保护。

基本电子保险丝的主要特点之一是其只有几毫秒或更短的快速响应时间，但其属性并不限于此。虽然许多电子保险丝最初是针对热插拔应用等子电路的保护，但一些 eFuse 很快就通过了相应的 UL 和 IEC 标准的认证，使其获准用于与安全有关的保护。

电子保险丝已远超其基本的电流切断功能

由于电子保险丝是基于硅的固态器件，因此通过增加额外的特性和功能，很快就与其他基本 IC 的发展没有区别了。这些功能包括可由用户设定的电流阈值、闭锁输出、可选的自动重启、电源良好信号、电流水平监测、反向电流阻断和热关断。

例如，Texas Instruments 的 TPS25210ARPWR 是一款 2.7 V 至 5.7 V、4 A、31 mΩ 的电子保险丝，其响应时间为 500 ns（典型值）（图 2）。用户可以通过外部电流检测电阻器在 0.5 A 至 4.44 A 之间设定限流值。


TPS25210ARPWR 是一款适用于中等电流水平的基本电子保险丝；除了在超过其阈值时切断电流的进基本功能外，还具有一些有用的功能。（图片来源：Texas Instruments）

除了基本熔断外功能外，这种电子保险丝还能防止过载、短路、电压浪涌、反极性和过大的浪涌电流。对于有特定浪涌电流要求的应用，设计人员可以通过外部电容器来设置其输出压摆率。通过箝制输出电压，使其稳定在一个安全的、可通过引脚选择的最高电压，以保护负载免受输入过压的影响。

诸如此类的电子保险丝具有许多功能，使原本“笨重”的保险丝功能变得更智能、更灵活，并向受保护系统提供更多的信息和帮助。这与具有恒定额定电流的传统热保险丝形成了鲜明的对比。

不是你的基本电子保险丝

易熔连接的有限功能和缺乏 I/O 连接，与当今的智能、网络化车辆的需求相悖。相比之下，电子保险丝的许多功能使其对汽车应用特别有吸引力。为此，业界已经开发出符合严格的汽车标准的电子保险丝，并增加了许多所需的额外功能。

例如 VNF1048F 器件，这是一款由 STMicroelectronics 最近推出的、通过 AEC-Q100 认证的、用于汽车配电应用的高压侧开关控制器。该器件将更强的系统保护功和诊断功能与 STMicroelectronics 的“I2-t”硅保险丝技术整合在一起（图 3）。


图 3：获得 AEC-Q100 认证的 VNF1048F 是一款电子保险丝，但这款产品包括一个高压侧开关控制器以及许多其他功能和连接选项。（图片来源：STMicroelectronics）

VNF1048F 与 12 V、24 V 和 48 V 汽车电源子系统兼容。凭借其灵活性，这款产品非常适合最新的汽车“分区”电子/电气架构，这种架构可提高效率、可靠性，同时还支持增加电气化以及额外的智能驾驶功能。

I2-t 功能提供了反应快速、可复位和可靠的过电流保护。硅保险丝还有助于简化汽车线束，取消了用户可接触到的保险丝盒和相关电缆，从而减轻了重量。

功能丰富、适应性强的 VNF1048F 有一个 32 位串行外设接口 (SPI)，架兼容 3.3 V 和 5 V CMOS 逻辑电平，允许主微控制器进行配置并监测系统保护和诊断功能。这些功能包括欠压和过温保护、用于外部 MOSFET 驱动的两级充电泵，以及 MOSFET 热保护、去饱和关断以及 I2-t 保险丝设置。

该器件使用外部高压侧分流电阻器，内置了高精度数字电流检测功能。该器件还集成了模数转换器 (ADC)，用于检测感温热敏电阻器的电压 (VNTC)、输出电压 (VOUT) 和 MOSFET 漏源电压 (VDS)。

像 VNF1048F 这样功能齐全的智能控制器，不仅仅是集成了一些相关功能。该器件还嵌入了复杂的状态机，用于管理并确保其性能、动作和反应与其所监控的系统需求相匹配（图 4）。


图 4：VNF1048F 的工作和定序状态图清楚地表明了它是如何以及为什么远超基本型电子保险丝的。（图片来源：STMicroelectronics）

为了与其高水平功能和高集成度相称，VNF1048F 附带一份 52 页的数据手册。对于计划使用该器件的所有人来讲，最好能去了解该器件支持的许多模式、功能、初始化和设置；在使用之前需要做很多功课的。

最后一点含蓄地说明了使用如此复杂的部件时可能存在的担忧。老式的普通热保险丝的优点之一是，一旦选择了合适的器件，你就几乎不再需要进一步的设计工作。只需将保险丝放入电路中就大功告成：无需进行功能初始化，无需设置参数，无需确定协议，也无需通过链接下载。相比之下，高级电子保险丝则需要较多设计导入时间、精力以及调试工作。

结语

这是永恒的工程设计困境的一部分：是保持简单并接受有限的灵活性，还是致力于更先进的组件，你知道这是需要付出更多的努力来实现的吗？就电子保险丝而言，在很大程度上由于汽车设计的复杂性和灵活性要求越来越高，看起来为此经受痛苦也是值得的。