電子保險(xiǎn)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(duì)如動(dòng)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(jí)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(gè)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(xiǎn)絲的半導(dǎo)體開關(guān)取代。相比分立式熔斷型保險(xiǎn)絲，電子保險(xiǎn)絲具有多種優(yōu)勢(shì)。電子保險(xiǎn)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(cè)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(zhǎng)度。此外，電子保險(xiǎn)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(zhǎng)電動(dòng)汽車的行駛里程。

圖 1 展示了熔斷型保險(xiǎn)絲向電子保險(xiǎn)絲的演變。

圖 1 區(qū)域控制器和配電盒中的熔斷型保險(xiǎn)絲替代產(chǎn)品

本文將探討可配置電子保險(xiǎn)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(xiǎn)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(jí)傳感器功能直至保險(xiǎn)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(xiǎn)絲配置時(shí)，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(xiǎn)絲（如 TPS2HCS10-Q1）能夠根據(jù)負(fù)載需求動(dòng)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(gè)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(xiǎn)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(xiǎn)絲如何在沒有外部元件的情況下檢測(cè)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(cè)，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(jiǎn)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(duì)各種車型驗(yàn)證多個(gè)系統(tǒng)會(huì)增加周期時(shí)間和成本。電子保險(xiǎn)絲的優(yōu)勢(shì)在于，它能在處理不同電流負(fù)載（從低至高）的同時(shí)，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(duì) 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(xiǎn)絲尤為合適？

• 可配置時(shí)間—電流曲線。不同于標(biāo)準(zhǔn)的平坦電流限制，嵌入式保險(xiǎn)絲的時(shí)間—電流特性曲線會(huì)根據(jù)負(fù)載電流的時(shí)長(zhǎng)和強(qiáng)度來判斷是否或何時(shí)關(guān)閉開關(guān)。這意味著電子保險(xiǎn)絲可以在短時(shí)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(huì)自動(dòng)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(gè)參數(shù)，即可靈活編程多種保險(xiǎn)絲特性曲線。圖 3 展示了整個(gè)電流范圍內(nèi)的保護(hù)方案示例。

圖 3 可編程保險(xiǎn)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(shí)也保持通電狀態(tài)。為這些 ECU 供電的電子保險(xiǎn)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(dòng)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(xiǎn)絲通過檢測(cè)負(fù)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(xiàn)自主運(yùn)作，而不會(huì)增加 MCU 的開銷。德州儀器電子保險(xiǎn)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(dòng)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(xiǎn)絲和開關(guān)不具備電容充電功能，而電子保險(xiǎn)絲則提供了兩種模式：一種是針對(duì)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(duì)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(xiǎn)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(xiǎn)絲的一大優(yōu)勢(shì)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(dòng)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(shí)，將器件配置為電容充電模式是理想之選。

電子保險(xiǎn)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(chǎng)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(xiǎn)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(dòng)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(xiǎn)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(shí)間的節(jié)省。未來，隨著汽車保險(xiǎn)絲日漸變得更加智能和安全，傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲或許將無需再進(jìn)行更換。