電子保險絲如何助力軟件定義車輛的區(qū)域架構(gòu)革新

在過去十年中，汽車行業(yè)經(jīng)歷的最大變革在于軟件定義車輛的興起。傳統(tǒng)的車輛設(shè)計(jì)中，針對如動力總成系統(tǒng)或信息娛樂系統(tǒng)等特定功能，均配備有專用的硬件子系統(tǒng)。為了滿足車型快速升級的需求，通過構(gòu)建模塊化、靈活的子系統(tǒng)（也稱為“區(qū)域”）來統(tǒng)一整合多種功能，變得更為經(jīng)濟(jì)高效。現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)不再局限于專用域控制單元，而是轉(zhuǎn)向支持兩到三個集成多種功能的區(qū)域控制單元。

這一區(qū)域架構(gòu)的革新，意味著傳統(tǒng)熔絲將由名為電子保險絲的半導(dǎo)體開關(guān)取代。相比分立式熔斷型保險絲，電子保險絲具有多種優(yōu)勢。電子保險絲可提供可復(fù)位輸出，使得車輛架構(gòu)師能夠靈活選擇安裝位置，因?yàn)樗鼈冊诔霈F(xiàn)故障后無需更換。由于無需頻繁接觸，這有效縮短了從電源到負(fù)載的電纜長度。此外，電子保險絲改善了熔斷時間-電流特性，可變性更小，因而可以縮小電纜直徑、減輕重量并削減線束的制作成本。為電源管理系統(tǒng)提供附加功能可提升預(yù)防維護(hù)與故障診斷的效能，有助于優(yōu)化電子系統(tǒng)功耗，從而更大限度地延長電動汽車的行駛里程。

圖 1 展示了熔斷型保險絲向電子保險絲的演變。

圖 1 區(qū)域控制器和配電盒中的熔斷型保險絲替代產(chǎn)品

本文將探討可配置電子保險絲如何加快實(shí)現(xiàn)向軟件定義車輛架構(gòu)的轉(zhuǎn)型。

使用電子保險絲進(jìn)行設(shè)計(jì)

互聯(lián)汽車必須持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)狀況，這涵蓋了從高級傳感器功能直至保險絲元件的基本狀態(tài)。此外，區(qū)域架構(gòu)設(shè)計(jì)還要求在根據(jù)供電負(fù)載變化調(diào)整保險絲配置時，能夠展現(xiàn)出高度的靈活性。通過采用串行外設(shè)接口 (SPI) 等通信接口，電子保險絲（如 TPS2HCS10-Q1）能夠根據(jù)負(fù)載需求動態(tài)配置開關(guān)，并通過讀取負(fù)載診斷信息來輔助決策，從而有效解決了這兩個難題。盡管增添了附加功能，但總體系統(tǒng)成本卻更低、元件數(shù)量也更少，因?yàn)殡娮颖ｋU絲無需外部無源器件即可配置保護(hù)和診斷功能。

SPI 接口持續(xù)不斷地提供多種開關(guān)狀態(tài)和負(fù)載故障診斷信息，大大減少了微控制器 (MCU) 的開銷。器件內(nèi)集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)，能夠通過 SPI 接口全面讀取數(shù)字診斷數(shù)據(jù)，因此無需再依賴基于 MCU 的 ADC 來單獨(dú)讀取電流與電壓輸出。圖 2 展示了電子保險絲如何在沒有外部元件的情況下檢測輸出電壓和電池短路或開路負(fù)載故障。

圖 2 無需外部元件就能實(shí)現(xiàn)輸出電壓和電池短路或開路負(fù)載故障的檢測，且大大減少了 MCU 的開銷

在向軟件定義車輛轉(zhuǎn)型的開發(fā)過程中，一大挑戰(zhàn)在于如何精簡軟件和固件的開發(fā)流程，確保系統(tǒng)間的協(xié)同一致。針對各種車型驗(yàn)證多個系統(tǒng)會增加周期時間和成本。電子保險絲的優(yōu)勢在于，它能在處理不同電流負(fù)載（從低至高）的同時，使用統(tǒng)一的接口來編程和讀取信息，適用于具有各異輸出負(fù)載特性的多種車型版本。通過數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)軟件配置、控制和診斷功能，可以顯著減少對 MCU 輸入/輸出 (I/O) 引腳的需求，進(jìn)一步降低了額外 I/O 擴(kuò)展器成本并減小了印刷電路板 (PCB) 的面積。

那么，為何選擇軟件可配置的電子保險絲尤為合適？

• 可配置時間—電流曲線。不同于標(biāo)準(zhǔn)的平坦電流限制，嵌入式保險絲的時間—電流特性曲線會根據(jù)負(fù)載電流的時長和強(qiáng)度來判斷是否或何時關(guān)閉開關(guān)。這意味著電子保險絲可以在短時間內(nèi)承受高負(fù)載電流（例如電機(jī)浪涌或失速電流），但在過載情況下會自動切斷，以保護(hù)線束、PCB 布線和連接器。此外，通過 SPI 配置，僅需設(shè)定標(biāo)稱電流和關(guān)斷能量觸發(fā)閾值兩個參數(shù)，即可靈活編程多種保險絲特性曲線。圖 3 展示了整個電流范圍內(nèi)的保護(hù)方案示例。

圖 3 可編程保險絲特性

• 低靜態(tài)電流。許多電子控制單元 (ECU) 即使在車輛停車時也保持通電狀態(tài)。為這些 ECU 供電的電子保險絲需要消耗非常低的工作電流，以防止電池電量快速耗盡，并確保所需的負(fù)載能繼續(xù)保持活動狀態(tài)。盡管電流需求降低，保護(hù)功能依然保持激活狀態(tài)，確保系統(tǒng)免受短路事件的影響。更重要的是，電子保險絲通過檢測負(fù)載情況適時在正常工作與低功耗模式間切換，從而實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)作，而不會增加 MCU 的開銷。德州儀器電子保險絲產(chǎn)品系列具有超低靜態(tài)電流，可滿足上述所有要求。
• 可配置容性負(fù)載驅(qū)動模式。許多區(qū)域負(fù)載本質(zhì)上為容性負(fù)載；因此，用于為其供電的開關(guān)必須能高效地進(jìn)行電容充電。傳統(tǒng)保險絲和開關(guān)不具備電容充電功能，而電子保險絲則提供了兩種模式：一種是針對充電過程中負(fù)載電流較大情況的恒定電流充電模式；另一種則是針對容性負(fù)載超大但充電電流超低情況的固定瞬態(tài)電壓模式。在任一種情況下，電子保險絲都能在可編程的充電時段里，將浪涌電流限制在一個較低值。電子保險絲的一大優(yōu)勢在于，使器件能夠通過調(diào)整不同的充電電流或電壓閾值，驅(qū)動各類大小的容性負(fù)載。當(dāng)需要考慮電容本身的特性和并聯(lián)電路中的負(fù)載電流消耗情況時，將器件配置為電容充電模式是理想之選。

電子保險絲正在迅速取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體開關(guān)

德州儀器的智能高側(cè)開關(guān)產(chǎn)品系列配有集成式場效應(yīng)晶體管，具有寬導(dǎo)通電阻范圍，可支持多種負(fù)載電流，有助于解決區(qū)域架構(gòu)設(shè)計(jì)中遇到的難題。TPS2HCS10-Q1 電子保險絲憑借其具備的 SPI 通信功能、低功耗模式、I2T 電流限制及智能電容充電等特性，有效解決了開發(fā)與技術(shù)層面的難題。這些開關(guān)不僅實(shí)現(xiàn)了更先進(jìn)的配電方式，還為執(zhí)行器驅(qū)動應(yīng)用提供了保護(hù)和診斷功能。

結(jié)語

包括 TPS2HCS10-Q1 在內(nèi)的德州儀器電子保險絲既滿足了智能配電及軟件定義區(qū)域 ECU 的系統(tǒng)需求，又在開發(fā)階段實(shí)現(xiàn)了成本、空間和時間的節(jié)省。未來，隨著汽車保險絲日漸變得更加智能和安全，傳統(tǒng)保險絲或許將無需再進(jìn)行更換。