電子保險絲如何助力軟件定義車(chē)輛的區域架構革新

在過(guò)去十年中，汽車(chē)行業(yè)經(jīng)歷的最大變革在于軟件定義車(chē)輛的興起。傳統的車(chē)輛設計中，針對如動(dòng)力總成系統或信息娛樂(lè )系統等特定功能，均配備有專(zhuān)用的硬件子系統。為了滿(mǎn)足車(chē)型快速升級的需求，通過(guò)構建模塊化、靈活的子系統（也稱(chēng)為“區域”）來(lái)統一整合多種功能，變得更為經(jīng)濟高效?，F代汽車(chē)設計不再局限于專(zhuān)用域控制單元，而是轉向支持兩到三個(gè)集成多種功能的區域控制單元。

這一區域架構的革新，意味著(zhù)傳統熔絲將由名為電子保險絲的半導體開(kāi)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位輸出，使得車(chē)輛架構師能夠靈活選擇安裝位置，因為它們在出現故障后無(wú)需更換。由于無(wú)需頻繁接觸，這有效縮短了從電源到負載的電纜長(cháng)度。此外，電子保險絲改善了熔斷時(shí)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(xiàn)束的制作成本。為電源管理系統提供附加功能可提升預防維護與故障診斷的效能，有助于優(yōu)化電子系統功耗，從而更大限度地延長(cháng)電動(dòng)汽車(chē)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)現向軟件定義車(chē)輛架構的轉型。

使用電子保險絲進(jìn)行設計

互聯(lián)汽車(chē)必須持續監控系統狀況，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，區域架構設計還要求在根據供電負載變化調整保險絲配置時(shí)，能夠展現出高度的靈活性。通過(guò)采用串行外設接口 (SPI) 等通信接口，電子保險絲（如 TPS2HCS10-Q1）能夠根據負載需求動(dòng)態(tài)配置開(kāi)關(guān)，并通過(guò)讀取負載診斷信息來(lái)輔助決策，從而有效解決了這兩個(gè)難題。盡管增添了附加功能，但總體系統成本卻更低、元件數量也更少，因為電子保險絲無(wú)需外部無(wú)源器件即可配置保護和診斷功能。

SPI 接口持續不斷地提供多種開(kāi)關(guān)狀態(tài)和負載故障診斷信息，大大減少了微控制器 (MCU) 的開(kāi)銷(xiāo)。器件內集成了模數轉換器 (ADC)，能夠通過(guò) SPI 接口全面讀取數字診斷數據，因此無(wú)需再依賴(lài)基于 MCU 的 ADC 來(lái)單獨讀取電流與電壓輸出。圖 2 展示了電子保險絲如何在沒(méi)有外部元件的情況下檢測輸出電壓和電池短路或開(kāi)路負載故障。

圖2 無(wú)需外部元件就能實(shí)現輸出電壓和電池短路或開(kāi)路負載故障的檢測，且大大減少了MCU的開(kāi)銷(xiāo)

在向軟件定義車(chē)輛轉型的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一大挑戰在于如何精簡(jiǎn)軟件和固件的開(kāi)發(fā)流程，確保系統間的協(xié)同一致。針對各種車(chē)型驗證多個(gè)系統會(huì )增加周期時(shí)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載（從低至高）的同時(shí)，使用統一的接口來(lái)編程和讀取信息，適用于具有各異輸出負載特性的多種車(chē)型版本。通過(guò)數字接口實(shí)現軟件配置、控制和診斷功能，可以顯著(zhù)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(shí)間—電流曲線(xiàn)。不同于標準的平坦電流限制，嵌入式保險絲的時(shí)間—電流特性曲線(xiàn)會(huì )根據負載電流的時(shí)長(cháng)和強度來(lái)判斷是否或何時(shí)關(guān)閉開(kāi)關(guān)。這意味著(zhù)電子保險絲可以在短時(shí)間內承受高負載電流（例如電機浪涌或失速電流），但在過(guò)載情況下會(huì )自動(dòng)切斷，以保護線(xiàn)束、PCB 布線(xiàn)和連接器。此外，通過(guò) SPI 配置，僅需設定標稱(chēng)電流和關(guān)斷能量觸發(fā)閾值兩個(gè)參數，即可靈活編程多種保險絲特性曲線(xiàn)。圖 3 展示了整個(gè)電流范圍內的保護方案示例。

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(chē)輛停車(chē)時(shí)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，并確保所需的負載能繼續保持活動(dòng)狀態(tài)。盡管電流需求降低，保護功能依然保持激活狀態(tài)，確保系統免受短路事件的影響。更重要的是，電子保險絲通過(guò)檢測負載情況適時(shí)在正常工作與低功耗模式間切換，從而實(shí)現自主運作，而不會(huì )增加 MCU 的開(kāi)銷(xiāo)。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(mǎn)足上述所有要求。

●   可配置容性負載驅動(dòng)模式。許多區域負載本質(zhì)上為容性負載；因此，用于為其供電的開(kāi)關(guān)必須能高效地進(jìn)行電容充電。傳統保險絲和開(kāi)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(guò)程中負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(shí)段里，將浪涌電流限制在一個(gè)較低值。電子保險絲的一大優(yōu)勢在于，使器件能夠通過(guò)調整不同的充電電流或電壓閾值，驅動(dòng)各類(lèi)大小的容性負載。當需要考慮電容本身的特性和并聯(lián)電路中的負載電流消耗情況時(shí)，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的半導體開(kāi)關(guān)

德州儀器的智能高側開(kāi)關(guān)產(chǎn)品系列配有集成式場(chǎng)效應晶體管，具有寬導通電阻范圍，可支持多種負載電流，有助于解決區域架構設計中遇到的難題。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(kāi)發(fā)與技術(shù)層面的難題。這些開(kāi)關(guān)不僅實(shí)現了更先進(jìn)的配電方式，還為執行器驅動(dòng)應用提供了保護和診斷功能。

結語(yǔ)

包括 TPS2HCS10-Q1 在內的德州儀器電子保險絲既滿(mǎn)足了智能配電及軟件定義區域 ECU 的系統需求，又在開(kāi)發(fā)階段實(shí)現了成本、空間和時(shí)間的節省。未來(lái)，隨著(zhù)汽車(chē)保險絲日漸變得更加智能和安全，傳統保險絲或許將無(wú)需再進(jìn)行更換。