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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6x5mm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3ms，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)時間非常快，僅為6s。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)的負載以及使用同一電源的其他負載，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48V和12V負載。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48V和12V負載。
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載（負載突降）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%到輸出端達到標稱電壓的10%之間的時間。導(dǎo)通時間定義為輸出端達到標稱電壓的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，必須考慮負載類型。雖然對于容性負載來說，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：
導(dǎo)通時間與 dv/dt 引腳電容的關(guān)系，TJ = -40°C
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
大容性負載和肖特基二極管
對于較大的容性負載（和低電流直流負載），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)流二極管與負載并聯(lián)放置。此外，RC緩沖電路可與負載并聯(lián)使用。如果具體應(yīng)用中的預(yù)期電感超過 5uH，則強烈建議使用外部肖特基二極管或緩沖器。
隨著汽車市場的電氣化趨勢不斷升級，且48V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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