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簡介
汽車電氣化推動了電子保險絲“eFuse”取代機械繼電器和熔斷器，以實現(xiàn)更緊湊、更高效的解決方案。NIV3071 eFuse 可保護下游電路免受過流、過溫和接地短路事件的影響，并可通過開漏 FAULT 引腳提供故障指示器。該器件具有四個集成高側(cè)通道，可以通過 EN 引腳獨立控制，也可以并聯(lián)在一起以用于更大的負(fù)載。該器件具有可配置的電流限制功能和導(dǎo)通時間，可支持多種負(fù)載。
汽車應(yīng)用中的 NIV3071
在汽車應(yīng)用中使用 NIV3071 有幾個優(yōu)勢。該器件采用 6x5 mm 封裝，與機械繼電器和熔斷器等傳統(tǒng)解決方案相比，大大減少了所需的電路板面積。與這些傳統(tǒng)解決方案相比，eFuse 在發(fā)生故障時無需更換，因為其保護功能將同時保護器件和負(fù)載，從而在整個車輛中實現(xiàn)分布式區(qū)域控制架構(gòu)。該器件有兩個版本：鎖存型和自動重試型。如果發(fā)生故障，鎖存器件將鎖閉，直到通過切換 EN 引腳或功率循環(huán)發(fā)送命令為止。自動重試器件將等待 3 ms，如果進入熱關(guān)斷保護，則會等待足夠冷卻芯片的時間，然后再嘗試重新導(dǎo)通。
與傳統(tǒng)保險絲相比，NIV3071 的另一個優(yōu)勢是在發(fā)生故障時，其短路響應(yīng)時間非？欤瑑H為 6 s。與圖 1 所示的傳統(tǒng)保險絲相比，這分別降低了峰值電流和功耗，對任何相關(guān)線束的峰值電流和額定功率都有益。此外，快速響應(yīng)時間可防止輸入電源電壓驟降，從而保護任何安全攸關(guān)的負(fù)載以及使用同一電源的其他負(fù)載，如圖 2 所示。
圖 1.左側(cè)插片式保險絲，中心 PTC，右側(cè) NIV3071 eFuse
圖 2.同一電源上有多個 eFuse
NIV3071 由四個集成通道組成，可以獨立驅(qū)動，也可以并聯(lián)在一起，以提供更多負(fù)載電流，如圖 3 所示。輸入可以由不同的電源或公共電源供電。憑借這種靈活性，NIV3071 可以通過同一器件輕松支持 48 V 和 12 V 負(fù)載。這在汽車應(yīng)用中非常有利，因為通過一個器件即可保護 ECU（電子控制單元）中的 48 V 和 12 V 負(fù)載。
圖 3.NIV3071 的配置
該器件應(yīng)與穩(wěn)壓電源搭配使用。由于該器件具有 UVLO 功能且無反向電流保護，因此不建議用在需要冷啟動和拋負(fù)載（負(fù)載突降）的其他汽車應(yīng)用。
動態(tài)特性和注意事項
導(dǎo)通時序
NIV3071 具有受控導(dǎo)通功能，可以通過導(dǎo)通延遲時間 (Tdly(On)) 和導(dǎo)通時間 (tRAMP(On)) 進行描述，如圖 4 所示：
圖 4.NIV3071 的導(dǎo)通時序
導(dǎo)通延遲時間定義為 EN 引腳達到其最大值的 90% 到輸出端達到標(biāo)稱電壓的 10% 之間的時間。導(dǎo)通時間定義為輸出端達到標(biāo)稱電壓的 10% 至 90% 之間的時間。如果 EN 引腳上出現(xiàn)任何瞬時電壓尖峰，或者微控制器在加電時發(fā)送正確邏輯信號略有延遲，則導(dǎo)通延遲時間會用作去毛刺濾波器，以確保在預(yù)期導(dǎo)通時間安全啟動負(fù)載。
導(dǎo)通時間功能可以通過外部電容進行配置。要正確使用導(dǎo)通時間功能，必須考慮負(fù)載類型。雖然對于容性負(fù)載來說，增加導(dǎo)通時間有助于減少浪涌電流尖峰，但對于阻性負(fù)載，隨著輸出電壓上升，消耗的電流將持續(xù)增加。由于該直流電流和延長的輸出導(dǎo)通時間會導(dǎo)致在器件上產(chǎn)生電壓梯度，器件將消耗大量功率，并可能在器件完全導(dǎo)通之前進入熱關(guān)斷狀態(tài)以保護芯片。這取決于輸入電壓、輸出電壓導(dǎo)通時間、負(fù)載電流曲線和環(huán)境溫度。
浪涌電流控制
NIV3071 和安森美 (onsemi) 的其他 eFuse 具有浪涌電流控制功能，可限制導(dǎo)通容性負(fù)載時出現(xiàn)的峰值電流。該功能由一個外部引腳控制，該引腳可以保持開路，或者在 dvdt 引腳和地之間使用一個較小值的陶瓷電容。通過向該引腳添加電容，可以延長輸出導(dǎo)通時間，從而降低峰值電流，可以表示為：
以下關(guān)系式可用于控制給定 Cload 下的峰值電流：
圖 5.導(dǎo)通時間與 dv/dt 引腳電容的關(guān)系
使用上述公式和圖 5，用戶可以設(shè)置導(dǎo)通容性負(fù)載時的最大浪涌電流。下面的圖 6 和圖 7 提供了一個測試用例：
圖 6.浪涌電流控制測試用例
圖 7.測試用例的測量結(jié)果
大容性負(fù)載和肖特基二極管
對于較大的容性負(fù)載（和低電流直流負(fù)載），可以在輸出和輸入之間放置一個肖特基二極管，如圖 8 所示，以在器件關(guān)斷時保護 eFuse 的體二極管免受過大反向電流的影響。一旦輸入電壓降至 UVLO 以下，器件就會關(guān)斷，由于輸出電容在完全放電之前維持輸出電壓，這會在器件上產(chǎn)生反向電壓。與此同時，負(fù)電壓對肖特基二極管進行偏置，提供了在器件周圍放電的路徑，如圖 9 中的測量結(jié)果所示。
圖 8.使用肖特基二極管防止反向電流情況
圖 9.測量流經(jīng)器件和外部肖特基二極管的電流
關(guān)閉感性負(fù)載
在輸出端發(fā)生接地短路或過流故障事件期間，NIV3071 可快速關(guān)斷以同時保護器件和下游電路。如果電源路徑中存在很大的電感（例如電纜），則快速關(guān)斷將導(dǎo)致電壓尖峰超過器件的額定電壓。為了緩解這些電壓尖峰，可以使用多種選項？梢栽谳斎牒徒拥囟酥g放置一個 TVS 二極管，而肖特基二極管可以作為續(xù)流二極管與負(fù)載并聯(lián)放置。此外，RC 緩沖電路可與負(fù)載并聯(lián)使用。如果具體應(yīng)用中的預(yù)期電感超過 5 uH，則強烈建議使用外部肖特基二極管或緩沖器。
總結(jié)
隨著汽車市場的電氣化趨勢不斷升級，且 48 V 系統(tǒng)越來越普及，NIV3071 在汽車應(yīng)用中具有諸多優(yōu)勢。
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