电子产品世界

在汽车系统中，每一个电气连接的完整性都至关重要。但连接电子模块的电缆始终面临两种常见故障模式的风险：接地短路和电池短路。

短路是指两根导线短接在一起或将导线短接到金属框架时发生的。它可能是由于电缆绝缘层劣化、连接器损坏，甚至在制造过程中误将螺丝插入线束所致。当电气系统中的信号短路到电池电压（VBAT时），就会出现短路到电池的情况。

这两种故障都可能使电子模块、元件或电路暴露在超出其规定额定值的电压和电流下，通常会带来代价高昂或危险的后果（见图1）。

1. 组装过程中，电缆容易出现多种短路情况。

许多汽车应用中的集成电路配备了带电流限制和故障输出的电源开关，以检测并安全地处理这些短路情况。当发生地线短路或电池短路事件时，这些设备会发送故障信号——通常导向输出引脚——提醒系统采取保护措施。在检测到故障时，设备可能自动关闭或限制电流，以防止自身及系统其他组件受损。

然而，系统中并非所有组件和电路都具备相同的内部诊断和保护特性。即使有保护措施，也未必能防护所有类型的汽车短路。

考虑一个直流-直流转换器，它对PCB上的内部元件和连接到模块的电缆都供电（见图2）。虽然电源可能防止短路，但PCB上的元件仍可能发生电池短路，容易造成损坏。归根结底，保护处理器及PCB上的所有部件都需要精心设计电路层面。

2. 当电缆接口和PCB上的元件共享电压时，电池短路可能带来灾难性后果。

随着全集成电子熔断器（eFuse）在数据中心等领域越来越广泛应用，本文展示了如何利用一系列功率场效应晶体管设计独立电子熔断器，提供短接地和短接电池保护。

二极管保护汽车电力系统——保护不了

串联二极管是一种常见的保护方法，用于防止电池短路。当电缆短路电压高于二极管阳极时，二极管会变得反向偏置，确保阳极侧的系统电压完全免受高电压影响。这也防止了任何反向电流（见图3）。

3. 串联二极管是一种简单且经济有效的方法，用于保护内部电路免受高压短路电池的伤害。

然而，串联二极管存在若干缺点，最显著的是正向导通时的较大正向电压降。

考虑一个常见例子，一个模块为另一个模块的天线供电（见图4）。模块B需要5伏（±10%容差）来供电给天线，该电压由模块A上的5伏稳压器产生。在这种情况下，标准二极管正向电压为700 mV会将模块B的电压限制在4.3 V，低于天线模块要求的4.5 V（5 V减去10%）。

4. 巧妙使用N通道场效应晶体管实现短接电池保护，且避免串联二极管带来的巨大电压降。

一种潜在的解决方案是使用正向压降约为200至300 mV的肖特基二极管。但肖特基二极管通常比标准二极管更昂贵，而且它们只保护阴极电压高于阳极的特殊短路条件。无论是硅二极管还是肖特基二极管，都无法保护系统免受短接地状态的影响。

此外，肖特基二极管200至300毫伏的正向电压降阻碍了电路中诊断功能的添加。

利用场效应晶体管（FET）应对短接电池条件

N通道场效应晶体管（FET）可用于实现短接电池保护，而无需串联二极管带来的较大电压降。

这种实现确保了场效应管的本体二极管与串联二极管方向一致。用车辆电池驱动N通道FET的栅极，确保有足够的电压完全增强FET。因此，只要源电压低于车辆电池电压，至少低于N通道场效应晶体效应晶体的阈值电压额定值，N通道场效应晶体效应管的RDS（on）最小，因此电压降最小。

短路条件需要额外电路快速关闭场效应晶体管。一个简单的比较器可以在输出电压大于预期5伏时迅速将栅极电压降为低。

德州仪器的宽V输入比较器（TL331B-Q1）在此情况下起着关键作用，因为在电池短路时，负极可能会暴露在高电压下。比较电路设计时，将模块在场效应晶体（VOUT）后的输出电压连接到TL331B-Q1的负极（见图5）。目标是确保当VOUT处的电压超过目标输出电压预设时，比较器输出能使场效应晶体的栅极降低。

5. 使用比较器在短路条件下快速关闭N通道场效应晶体效应管。

假设前面的例子是5 V±（电压输出时10%），将参考值设为5.5 V以上（5 V加10%），并用电池的简单电阻分压器创建一个参考电压，标称高于5.5 V。

许多汽车电路需要在9到16伏之间的电压正常运行，因为电池电压可以实时波动。在这种情况下，我会将参考电压设为8V，电压分压器为500 Ω，12伏电池供电1 kΩ。

通过极端电压，最低电池电压为9伏，参考电压为6伏，但仍高于5.5伏阈值。如果电池电压高达16伏，参考电压约为10.7伏，这仍然是检测短路状态的合理参考电压。

激活时，比较器强制关闭场效应管，而场效应晶体二极管的本体二极管确保场效应晶体管源端无高压暴露，反向电流最小。当输出短接为VBAT（此处为12 V）时，稳压的5伏轨保持在5 V（见图6）。然而，单个场效应晶体效应晶体效应管（FET）无法解决短接地问题，因为在该场景下，体体二极管会导通。

6. 使用场效应晶体管（FET）可以保护内部电路免受短接电池的伤害，但在短接地情况下确保安全需要额外的巧妙设计努力。

应对短距到地场景的挑战

短接地条件需要在系统中添加第二个场效应晶体管，且本体二极管朝相反方向（见图7），以阻止故障时电源过量电流流出。与第一个场效应晶体效应管类似，正常运行时，N通道场效应晶体管的栅极将由高压电池（12伏）驱动，以完全增强场效应晶体效应。

7. TL331B-Q1与Q2结合，可防止电池短路。

短接地状态需要额外电路快速关闭场效应晶体电晶体管——与短路电池状况完全相同。同样，简单的比较器可以在输出电压低于预期5伏时迅速将栅极电压降为低。

在这种情况下，需要第二个宽V输入比较器（TL331B-Q1）（见图7和图8）。比较器电路通过将模块在场效应晶体管（V-OUT）后的输出电压连接到TL331B-Q1的正极而集成。

8. 为防止短路与地条件，电路中集成第二个比较器作为电子保险丝。

需要建立第二个参考电压，以确保当VOUT处的电压低于目标电压预定时，比较器输出能使FET的栅极降低。给定一个5 V±10% VOUT时的例子，将参考值设在4.5 V以下（5 V减去10%）。使用1 kΩ和4 kΩ的分压器连接到5-V稳压轨，创建一个4 V的参考电压。

由于该设计利用了两个比较器，TI的LM2903B-Q1被用来将它们集成为单一参数等效器件。背靠背的场效应晶体管与双比较器结合，为离散eFuse奠定了基础。

关键词： eFuse 汽车 短路 串联二极管 场效应晶体管