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​汽车控制器中更智能的电路保护?试试eFuse

07/11 10:00
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在现代汽车和工业应用中,可靠性至关重要。从汽车区域控制器,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。

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。只要过电流不过大(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1: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,导致较大的浪涌电流,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

随着汽车中融合越来越多的技术,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2:有时汽车区域控制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60VDC、65VTR的电子保险丝,将四个独立通道集成到单个5.0mm x 6.0 mm 封装中,每个通道可支持高达2.5A 的连续电流(共10
A)。每个通道的RDSon值仅为80mΩ,确保将电子保险丝内的能耗降至更低水平。

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、可配置的电流跳闸时间以及固定的1ms 软启动。

NIV3071能够在-40ºC到+150ºC的结温(TJ)范围内工作,并提供2kV 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。该器件可支持高达360V 电压,以及高达4.2A 的连续电流。

该器件的显著特点包括低电阻(典型RDSon= 39 mΩ)和快速跳闸时间。该器件还包括可编程电流限制(21-157A)、欠压和可调转换速率控制。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 mmx 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、更大的灵活性和更丰富的功能,显著提高了保护水平。

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安森美

安森美

历史安森美半导体前身是摩托罗拉集团的半导体元件部门,于1999年独立上市,继续生产摩托罗拉的分立晶体管,标准模拟和标准逻辑等器件。并购纪录2000年四月,完成收购Cherry Semiconductor。2006年,完成收购位于美国俄勒冈州Gresham的LSI Logic设计和制造设施。2008年一月,以184M美元完成收购美国模拟器件公司的稳压及热管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部门。2008年三月,以915M美元完成收购AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收购Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收购PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收购California Micro Devices。2010年六月,完成收购Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收购日本三洋电机的子公司三洋半导体(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收购赛普拉斯半导体(Cypress Semiconductor)的CMOS图像传感器业务部门。2014年五月,完成收购Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半导体和富士通半导体宣布战略合作(包括晶圆代工服务协议,及日本会津若松市富士通的8吋晶圆厂的10%权益。)2014年八月,以4亿美元完成收购总部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半导体完成收购Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥资24亿美元现金收购飞兆半导体公司。2016年八月,安森美半导体宣布已就出售点火IGBT业务给 Littelfuse 达成协议,出售其瞬态电压抑制二极管和开关型晶闸管产品线,售价共1.04亿美元现金。2016年九月,安森美半导体完成收购飞兆半导体公司。产品安森美半导体制造以下的各种产品:定制:ASIC;定制代工服务;定制ULP存储器;定制CMOS图像传感器;集成无源器件分立:双极晶体管;二极管和整流器;IGBT和FET;晶闸管;可调谐组件电源管理:AC-DC控制器和稳压器;DC-DC控制器、转换器和稳压器;热管理;驱动器;电压和电流管理逻辑:时钟产生;时钟及数据分配;存储器;微控制器;标准逻辑信号管理:放大器和比较器;模拟开关;音频/视频的ASSP;数字电位计;EMI/RFI滤波器;接口;光电、图像及触摸传感器产品部安森美半导体的各个产品部门:模拟方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高腾博),执行副总裁兼总经理图像传感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高级副总裁兼总经理电源方案部(PSG) – Bill Hall(贺彦彬),执行副总裁兼总经理解决方案工程中心日本:大阪; 东京中国:上海德国:慕尼黑中国台湾:台北美国:加州圣荷西; 俄勒冈州波特兰; 底特律韩国:首尔设计中心美国:亚利桑那州凤凰城(Phoenix)、亚利桑那州钱德勒(Chandler)、得州奥斯汀(Austin)、得州普莱诺(Plano)、罗德岛州东格林尼治(East Greenwich)、科罗拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、爱达荷州波卡特洛(Pocatello)、宾夕法尼亚州Lower Gwynedd、犹他州林顿(Lindon)、爱达荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯灵顿(Burlington), 滑铁卢(Waterloo)比利时:梅赫伦(Mechelen),奥德纳尔德(Oudenaarde),菲尔福尔德(Vilvoorde)法国:图卢兹(Toulouse)德国:慕尼黑罗马尼亚:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉发(Bratislava)爱尔兰:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布尔诺(Brno)韩国:首尔中国台湾:台北印度:班加罗尔(Bangalore),诺伊达(Noida)日本:岐阜市,群马菲律宾:德拉克市(Tarlac City)制造工厂美国:亚利桑那州凤凰城、亚利桑那州钱德勒、俄勒冈州Gresham、爱达荷州波卡特洛、爱达荷州楠帕、缅因州南波特兰加拿大:伯灵顿 (安大略省)比利时:奥德纳尔德捷克:Roznov中国:乐山、深圳、苏州日本:群马县、埼玉县羽生市、新潟县新潟市韩国:富川菲律宾:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿雾市马来西亚:森美兰州芙蓉市越南:边和市、顺安市社

历史安森美半导体前身是摩托罗拉集团的半导体元件部门,于1999年独立上市,继续生产摩托罗拉的分立晶体管,标准模拟和标准逻辑等器件。并购纪录2000年四月,完成收购Cherry Semiconductor。2006年,完成收购位于美国俄勒冈州Gresham的LSI Logic设计和制造设施。2008年一月,以184M美元完成收购美国模拟器件公司的稳压及热管理(Voltage Regulation and Thermal Management)部门。2008年三月,以915M美元完成收购AMI Semiconductor。2008年十月,以115M美元完成收购Catalyst Semiconductor。2009年十一月,以17M美元完成收购PulseCore Semiconductor。2010年一月,以115M美元完成收购California Micro Devices。2010年六月,完成收购Sound Design Technologies, Ltd。2011年一月,完成收购日本三洋电机的子公司三洋半导体(SANYO Semiconductor)。2011年二月,以$31.4M美元完成收购赛普拉斯半导体(Cypress Semiconductor)的CMOS图像传感器业务部门。2014年五月,完成收购Truesense Imaging, Inc。2014年七月,安森美半导体和富士通半导体宣布战略合作(包括晶圆代工服务协议,及日本会津若松市富士通的8吋晶圆厂的10%权益。)2014年八月,以4亿美元完成收购总部位于加州的Aptina Imaging Corp。2015年七月,安森美半导体完成收购Axsem AG。2015年11月18日,以每股20美元,斥资24亿美元现金收购飞兆半导体公司。2016年八月,安森美半导体宣布已就出售点火IGBT业务给 Littelfuse 达成协议,出售其瞬态电压抑制二极管和开关型晶闸管产品线,售价共1.04亿美元现金。2016年九月,安森美半导体完成收购飞兆半导体公司。产品安森美半导体制造以下的各种产品:定制:ASIC;定制代工服务;定制ULP存储器;定制CMOS图像传感器;集成无源器件分立:双极晶体管;二极管和整流器;IGBT和FET;晶闸管;可调谐组件电源管理:AC-DC控制器和稳压器;DC-DC控制器、转换器和稳压器;热管理;驱动器;电压和电流管理逻辑:时钟产生;时钟及数据分配;存储器;微控制器;标准逻辑信号管理:放大器和比较器;模拟开关;音频/视频的ASSP;数字电位计;EMI/RFI滤波器;接口;光电、图像及触摸传感器产品部安森美半导体的各个产品部门:模拟方案部(ASG) - Bob Klosterboer(高腾博),执行副总裁兼总经理图像传感器部(ISG) – Taner Ozcelik,高级副总裁兼总经理电源方案部(PSG) – Bill Hall(贺彦彬),执行副总裁兼总经理解决方案工程中心日本:大阪; 东京中国:上海德国:慕尼黑中国台湾:台北美国:加州圣荷西; 俄勒冈州波特兰; 底特律韩国:首尔设计中心美国:亚利桑那州凤凰城(Phoenix)、亚利桑那州钱德勒(Chandler)、得州奥斯汀(Austin)、得州普莱诺(Plano)、罗德岛州东格林尼治(East Greenwich)、科罗拉多州Longmont、加州圣克拉拉(Santa Clara)、爱达荷州波卡特洛(Pocatello)、宾夕法尼亚州Lower Gwynedd、犹他州林顿(Lindon)、爱达荷州楠帕(Nampa)加拿大:伯灵顿(Burlington), 滑铁卢(Waterloo)比利时:梅赫伦(Mechelen),奥德纳尔德(Oudenaarde),菲尔福尔德(Vilvoorde)法国:图卢兹(Toulouse)德国:慕尼黑罗马尼亚:布加勒斯特(Bucharest)斯洛伐克:布拉迪斯拉发(Bratislava)爱尔兰:利默里克(Limerick)瑞士:Marin捷克:Roznov,布尔诺(Brno)韩国:首尔中国台湾:台北印度:班加罗尔(Bangalore),诺伊达(Noida)日本:岐阜市,群马菲律宾:德拉克市(Tarlac City)制造工厂美国:亚利桑那州凤凰城、亚利桑那州钱德勒、俄勒冈州Gresham、爱达荷州波卡特洛、爱达荷州楠帕、缅因州南波特兰加拿大:伯灵顿 (安大略省)比利时:奥德纳尔德捷克:Roznov中国:乐山、深圳、苏州日本:群马县、埼玉县羽生市、新潟县新潟市韩国:富川菲律宾:Carmona, Cavite、Tarlac City、宿雾市马来西亚:森美兰州芙蓉市越南:边和市、顺安市社收起

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