eFuse跳变曲线优化策略,助力性能升级

随着车辆电子设备的复杂程度与日俱增,为系统中的所有元件提供精准且充足的保护,对于保障车辆的安全性和可靠性而言,显得尤为关键。在这样的背景下,整车厂商逐渐摒弃传统的刀片式保险丝,转而对电子保险丝(eFuse)所带来的优势青睐有加。本文将深入探讨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。

电子保险丝作为一种可编程器件,其主要功能是保护电源线免受过电流、过压和短路等情况的损害。与传统保险丝在故障出现时从物理上切断电路不同,电子保险丝具有可复位和重新配置的特性,这使其成为一种更为灵活且可重复使用的保护方案。电子保险丝在现代电子设备中应用广泛,如智能手机、平板电脑和笔记本电脑等,在这些设备中,精确可靠的保护至关重要。如今,电子保险丝在汽车领域的应用也越来越多,未来它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问题带来额外成本。

每个电子保险丝都有一条跳变曲线,该曲线明确了电子保险丝断开负载的方式和时机。由于不同的应用场景对跳变点的要求各异,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,电子保险丝所需的跳变方式可能较为复杂,除了电流之外,还需要综合考虑其他因素。

为了给设计人员在部署电子保险丝时提供更大的灵活性,安森美正在积极开发新一代器件,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,设计人员需要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

第一步是全面了解电子保险丝的物理属性及其部署环境。这一步骤的目的是确保在条件可能大幅波动的环境中,能够准确评估电子保险丝的热响应。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。随着电子元件几何尺寸的持续微型化,如果不进行全面的热阻抗分析,发生此类故障的可能性将会显著增加。

理解热效应的关键在于热传递阶梯(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。参考应用手册AND9733-带模拟电流检测的高侧SmartFET,能更好地理解这一过程。热传递阶梯有助于我们了解大电流脉冲如何在整个系统中传递热能。一般来说,脉冲持续时间越长,热量传播的距离就越远。持续时间小于10ms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(如PCB)的热容所决定的。

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图1通用电子保险丝应用的热传递阶梯

PCB的结构会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。

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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R_{DS(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PC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,R_{DS(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。

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图3热阻抗具有瞬态性

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R_{DS(ON)}和∆t(芯片温度可接受的变化量)。

由此得出的曲线展示了将结温(T_{j})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。

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图4电子保险丝的热限制曲线

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。

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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。

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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。

综上所述,优化电子保险丝的跳变曲线对于提高其性能至关重要。通过深入分析热阻抗、应用热要求以及确定合适的I²t与电流关系,结合未来可编程的技术发展,电子保险丝将在更多领域发挥出更出色的保护作用。

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