电子保险丝工作原理及优势：优化eFuse跳变曲线以提高性能

随着车辆电子设备日益复杂，为系统中的所有元件提供正确且充分的保护对于安全性和可靠性至关重要。整车厂商逐渐摒弃传统的刀片式保险丝，转而青睐电子保险丝 (eFuse) 带来的优势。

本文将介绍如何以类似于传统保险丝的方式操作电子保险丝，并对未来通过编程使电子保险丝模拟传统保险丝的前景进行展望。

这些可编程器件旨在保护电源线免受过电流、过压和短路情况的损害。传统保险丝在故障出现时从物理上切断电路，而电子保险丝与之不同，它可以复位和重新配置，这使其成为一种更灵活且可重复使用的方案。电子保险丝通常用于现代电子设备，例如智能手机、平板电脑和笔记本电脑，在这些设备中，精确可靠的保护至关重要。如今，电子保险丝越来越多地应用于更具挑战性的环境中，包括汽车领域。

事实上，电子保险丝很快将成为所有汽车系统的关键元件，保护器件及子系统免受过电流情况的影响，从而避免因损坏和可靠性而带来额外成本。

每个电子保险丝都有一条跳变曲线，该曲线定义电子保险丝断开负载的方式和时机。由于应用场景各异，因此跳变点需要调整，最常见的调整方法是在一个专用引脚上连接一个外部电阻。然而，正如本文将介绍的，电子保险丝所需的跳变方式可能很复杂，除了电流之外，还需要考虑其他因素。

为了让设计人员在部署电子保险丝时拥有更大的灵活性，安森美正在开发新一代器件，这些器件将允许以数字方式修改跳变曲线的形状和范围。 为了更好地掌握在设计中使用电子保险丝的方法，设计人员应深入了解为电子保险丝设计跳变曲线时应遵循的流程。

热阻抗分析：第一步是了解电子保险丝的物理属性及其部署环境。这是为了确保在条件可能大幅波动的环境中准确评估热响应。这一点至关重要，因为热应力超过器件（包括电子保险丝）的承受能力是电源系统最常见的故障模式之一。随着几何尺寸的持续微型化，如果不进行全面分析，发生此类故障的可能性将会增加。

理解热效应的关键是热传递阶梯（图 1），它通过构成电子保险丝的各层和材料，将半导体结与环境空气相连，另请参阅应用手册 AND9733 - 带模拟电流检测的高侧 SmartFET (onsemi.com)。

图 1 – 通用电子保险丝应用的热传递阶梯

这有助于理解大电流脉冲如何在整个系统中传递热能。简而言之，脉冲持续时间越长，热量传播距离越远。持续时间小于 10 ms 的脉冲会留在封装内，而持续时间更长的脉冲会传播到 PCB 上并在那里耗散。这是由器件和周围元件（例如 PCB）的热容所导致的。

PCB 的结构将因其布局和层叠方式对热性能产生显著影响。层数、铜层重量以及是否存在电源层和接地层等因素都会影响热性能，如图 2 中的仿真结果所示。 这些仿真描绘了 TSSOP14-EP 封装在不同热条件下的热阻：
左图 1s0p_miniCu：TSSOP14 安装在单信号层 PCB 上，铜面积最小且无电源层
中图 1s0p_1InCu：TSSOP14 安装在单信号层 PCB 上，铜面积为 1 平方英寸且无电源层
右图 2s2p_1InCu：TSSOP14 安装在双信号层 PCB 上，铜面积为 1 平方英寸且有 2 个电源层

图 2 – 电子保险丝应用中的热效应仿真

第一步，通过分析稳态电流，可根据热阻抗 (oC/W)、环境温度和最高结温来确定电子保险丝的 RDS(ON)。据此，设计人员将能够计算出工作极限。

第二步是在施加各种持续时间更短且电流更大的脉冲时，对电子保险丝应用中的热效应进行仿真。 然后，可绘制热阻抗与电流脉冲时长之间的关系图：

图 3 – 热阻抗具有瞬态性

图 3 清楚地展示了热阻抗如何随脉冲时长而变化，较短脉冲下的热阻抗显著降低。这里的性能与 PCB 的成本直接相关，例如通过增加层数、使用更厚的铜层或在外壳上添加散热焊盘等措施。 然而，对于较短的脉冲，RDS(ON) 和芯片尺寸等因素会影响曲线的形状，而对于较长的脉冲，PCB 的影响则更为显著。

必须针对每个应用单独定义并理解这个曲线，这对于为应用选择合适的电子保险丝至关重要。这就要求设计人员了解通过电子保险丝的电流特性，尤其是脉冲的幅度和持续时间。

应用热要求：热阻抗曲线反映了热阻抗与时间的关系，而保险丝需要时间与电流的关系。 电子保险丝的热限制曲线可以通过反转其热阻抗曲线得出，但需要一些假设条件，包括 RDS(ON) 和 ?t（芯片温度可接受的变化量）。

图 4 – 电子保险丝的热限制曲线

由此得出的曲线展示了将结温 (Tj) 的上升幅度限制在设计标准之内的最大电流脉冲持续时间。通常，良好的设计实践会采用绝对过电流保护，并预留几度的温度缓冲。

确定 I2t 与电流的关系：I2t 是电子保险丝相关讨论中常提及的一个重要参数。它主要与线束中的电流有关，如果电流过高，可能会造成损坏。对于传统保险丝，I2t 通常与标称保险丝电流值一起列为常数。 图 5 中的蓝线展示了恒定的 I2t 值。

图 5 – 将 I2t 设为常数会限制应用

然而，采用这种方法意味着无法充分利用系统的全部散热能力，这可能导致性能下降。实际上，线束并不需要恒定的 I2t（直线），因为在较低电流下，较长的持续时间是可行的。

采用恒定的 I2t 会限制可连接到电子保险丝的负载，因此，在电子保险丝中将 I2t 设为近似曲线非常重要。这样一来，跳变点就会接近（但不会超过）电子保险丝的极限线。

如果我们看一下刀片式保险丝的典型曲线，就会更清楚地发现恒定 I2t 的局限性。

图 6 – 典型刀片式保险丝特性曲线

虽然曲线的较低部分主要由 I2t 决定，但如果对 I2t 采用简单（直线）方法，则曲线的较高部分（即允许在较低电流下持续更长时间的部分）就不会存在。

展望未来

凭借对影响电子保险丝的热因素、跳变曲线以及与非恒定 I2t 关系的深入了解，安森美正在积极研发可针对特定应用编程的电子保险丝技术。

通过串行通信（I2C 或 SPI），可将所需的跳变曲线形状编程到电子保险丝中。虽然这通常是一次性的过程，但也可以在现场对保险丝进行重新编程，以适应系统配置的变化（例如负载的更改、添加或移除）。

新型电子保险丝将包含一系列跳闸曲线，用户可通过串行通信对其进行编程。

安森美积极与业内设计人员合作定义曲线，以覆盖尽可能多的当前和未来保险丝应用用例。