過去十年來，汽車產(chǎn)業(yè)中最重大的顛覆變革就是轉(zhuǎn)向軟體定義車輛。傳統(tǒng)的車輛設(shè)計(jì)採(cǎi)用專用於特定功能的硬體架構(gòu)子系統(tǒng)，例如動(dòng)力系統(tǒng)或車載資訊娛樂等。由於需快速升級(jí)車型，因此透過建置模組化且靈活的子系統(tǒng) (又稱為「區(qū)域」) 來整合多種功能，成為較有效率的做法。除了專用網(wǎng)域控制單元外，汽車也可支援具備整合式功能的二至三個(gè)區(qū)域控制單元。

轉(zhuǎn)換至區(qū)域架構(gòu)的過程包含以稱為 eFuse 的半導(dǎo)體開關(guān)來取代傳統(tǒng)的熔斷絲保險(xiǎn)絲。相較於離散式熔斷保險(xiǎn)絲，eFuse 具有數(shù)項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。其具有可重設(shè)輸出，讓汽車架構(gòu)師能將其安置在最佳位置，因?yàn)槠湓僖膊恍桁栋l(fā)生故障後進(jìn)行更換。由於其不需要容易觸及，因此有助於減少?gòu)碾娫吹截?fù)載的纜線長(zhǎng)度。eFuse 也具有更佳的保險(xiǎn)絲時(shí)間電流特性，且變異性大幅降低更低，因此具備縮減纜線直徑、重量與線束成本的潛力。為電源管理系統(tǒng)提供額外的功能，可改善預(yù)防性與故障診斷，進(jìn)而協(xié)助管理電子系統(tǒng)功耗，實(shí)現(xiàn)最長(zhǎng)的電動(dòng)車行駛距離。

圖 1 顯示從熔斷保險(xiǎn)絲轉(zhuǎn)換至 eFuse 的情況。

在此文章中，我將說明可設(shè)定的 eFuse 如何加速推動(dòng)轉(zhuǎn)換至軟體定義車輛架構(gòu)。

利用 eFuse 進(jìn)行設(shè)計(jì)

連線汽車必須能夠隨時(shí)讀取系統(tǒng)狀態(tài)，從進(jìn)階感測(cè)器功能到保險(xiǎn)絲元件均不例外。此外，當(dāng)保險(xiǎn)絲需求因所供電的負(fù)載而發(fā)生變更時(shí)，區(qū)域平臺(tái)會(huì)需要彈性。eFuse (如 TPS2HCS10-Q1) 可以使用序列周邊介面 (SPI) 等介面，以根據(jù)負(fù)載需求動(dòng)態(tài)設(shè)定交換器，並透過讀取負(fù)載診斷來為決策提供相關(guān)資訊，進(jìn)而協(xié)助解決這兩項(xiàng)問題。雖然具有額外功能，但整體系統(tǒng)成本和元件數(shù)量仍較少，因?yàn)?eFuse 不需要外部被動(dòng)元件來設(shè)定保護(hù)和診斷功能。

數(shù)項(xiàng)切換和負(fù)載故障診斷功能都會(huì)繼續(xù)透過 SPI 提供，減少微控制器 (MCU) 的負(fù)擔(dān)。裝置中的整合式類比轉(zhuǎn)數(shù)位轉(zhuǎn)換器 (ADC) 可透過 SPI 進(jìn)行完整的數(shù)位診斷讀出，讓以 MCU 為基礎(chǔ)的 ADC 不需要讀取電流和電壓輸出。圖 2 顯示 eFuse 如何在無需外部零組件的情況下感測(cè)輸出電壓，並偵測(cè)電池短路或開路負(fù)載故障。

轉(zhuǎn)換至軟體定義車輛時(shí)，開發(fā)中最具挑戰(zhàn)性的層面之一就是簡(jiǎn)化軟體和韌體開發(fā)，以實(shí)現(xiàn)緊密相連的系統(tǒng)。驗(yàn)證不同車型的多個(gè)系統(tǒng)會(huì)增加週期時(shí)間和成本。eFuse 可在低電流負(fù)載和高電流負(fù)載之間進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)保有通用介面，以編程和讀取具有不同輸出負(fù)載特性的多種車型資訊。擁有可進(jìn)行軟體設(shè)定、控制與診斷的數(shù)位介面，也可降低對(duì) MCU 輸入/輸出 (I/O) 接腳的需求，進(jìn)而減少額外的 I/O 擴(kuò)展器成本與印刷電路板 (PCB) 面積。

讓軟體可設(shè)定 eFuse 成為理想選擇的原因何在？

• 可設(shè)定的時(shí)間電流設(shè)定檔。嵌入式保險(xiǎn)絲特有的時(shí)間電流曲線會(huì)根據(jù)負(fù)載電流的時(shí)間和期間，判斷開關(guān)何時(shí)關(guān)閉或開關(guān)是否關(guān)閉，而不是以標(biāo)準(zhǔn)的平電流限制為根據(jù)。如此可讓 eFuse 在短暫期間內(nèi)傳送高負(fù)載電流 (例如馬達(dá)突波和熄火電流)，但會(huì)在過載條件下關(guān)閉以保護(hù)線束、PCB 佈線和連接器。此外，SPI 設(shè)定只需兩個(gè)參數(shù)即可讓保險(xiǎn)絲曲線實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的編程範(fàn)圍：那就是額定電流和關(guān)閉能量觸發(fā)閾值。圖 3 說明完整電流範(fàn)圍中的範(fàn)例保護(hù)機(jī)制。
  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) 在車輛停駐時(shí)仍維持開啟。為這些 ECU 供電的 eFuse 必須消耗極低的運(yùn)作電流，讓電池不會(huì)太快耗盡，且讓必要的負(fù)載能維持啟動(dòng)。儘管電流需求較低，不過保護(hù)功能仍保持啟動(dòng)，以保護(hù)系統(tǒng)免受短路事件影響。更重要的是，eFuses 可透過偵測(cè)負(fù)載條件，得知時(shí)在主動(dòng)和低功率設(shè)定間切換的時(shí)機(jī)，以在不增加 MCU 負(fù)擔(dān)的情況下自主運(yùn)作。TI eFuse 產(chǎn)品組合能以極低的靜態(tài)電流等級(jí)滿足前述所有要求。
• 可設(shè)定的電容負(fù)載驅(qū)動(dòng)模式。許多區(qū)域負(fù)載本質(zhì)為電容性負(fù)載；因此用於為其供電的開關(guān)必須能進(jìn)行有效率的電容充電。傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲和開關(guān)無法為電容器充電，但是 eFuse 可提供恆定電流充電模式，這是專為充電期間具有顯著負(fù)載電流的情況所設(shè)計(jì)的模式，或者也可提供固定暫態(tài)電壓模式，可因應(yīng)以極低充電電流進(jìn)行充電的超大型電容負(fù)載。在前述任一情況下，突波電流都會(huì)在可編程充電期間限制為低值。eFuse 的其中一個(gè)優(yōu)勢(shì)是裝置可透過調(diào)整充電電流或電壓閾值，以驅(qū)動(dòng)大型和小型電容負(fù)載。設(shè)定裝置為電容充電模式是因應(yīng)電容與並聯(lián)負(fù)載電流消耗的最佳選擇。

eFuses 正快速取代傳統(tǒng)的半導(dǎo)體開關(guān)

TI 的智慧型高壓側(cè)開關(guān)產(chǎn)品組合，具備整合式場(chǎng)效電晶體及廣泛的導(dǎo)通電阻範(fàn)圍，可支援多種負(fù)載電流，協(xié)助減輕區(qū)域架構(gòu)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。TPS2HCS10-Q1 eFuse 可利用 SPI 通訊、低功率模式、I2T 電流限制和智慧型電容器充電等功能，因應(yīng)開發(fā)和技術(shù)挑戰(zhàn)。這些開關(guān)可實(shí)現(xiàn)更為進(jìn)化的配電形式，同時(shí)為致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)應(yīng)用提供保護(hù)和診斷功能。

結(jié)論

包括 TPS2HCS10-Q1 在內(nèi)的 TI eFuse，可滿足智慧配電及軟體定義區(qū)域 ECU 的系統(tǒng)需求，同時(shí)在開發(fā)中提供成本、空間和時(shí)間效率。未來，汽車中的傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲可能再也不需要更換，因?yàn)槠涿咳斩甲兊酶腔矍腋踩?/p>