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本文将聚焦电子保险丝（eFuse）故障发生后的后续过程：深入分析接地短路后的电路恢复动态、如何为电路添加诊断功能，并呈现该汽车电路保护方案在实际硬件中的测试结果。

强制复位：电子保险丝如何从短路中恢复

当保护电路采用场效应晶体管（FET）和比较器时，接地短路可能导致电路闭锁。若输出端发生接地短路，电路中的第二个场效应晶体管（Q2）将关闭，且比较器会 “保持” 该场效应晶体管的关闭状态。

即使短路故障被排除，比较器仍会维持 Q2 的关闭状态 —— 因为输出电压（VOUT）节点无法产生比比较器负输入端更高的电压。这一机制会使电路闭锁，阻止电流向相邻模块传导。

模拟电路后可发现锁存状态（见图1）。时间控制开关取代了VOUT与地线之间的开关。该时间控制开关会在2毫秒时将V输出连接到地线，然后在4毫秒时断开V输出与接地。波形清晰显示开关在2毫秒处接地，强制V输出接地。然而，当开关在4毫秒时断开，输出不会回到5伏，因为比较器仍然保持Q2断开。

1. 在4毫秒时断开输出与接地不会导致正常电路工作。

在 Q2 两端并联一个负载开关，可使比较器正输入端获得高于负输入端的电压（图 2）。微控制器（MCU）或系统级芯片（SoC）的通用输入输出接口（GPIO）通过启用负载开关来复位电路：将 5 伏电压施加于输出端（比较器正输入端），从而使 Q2 的栅极电压恢复至 12 伏。

2. 将负载开关与Q2并联可解决短接地时的锁存问题。

电路的一个重要设计方面是，负载开关的输入必须连接到连续场效应晶体管之间的共用漏极。这确保电路仍能保护系统免受电池短路，因为负载开关只有一个场效应晶体管，且本体二极管方向与Q2相同。此外，确保负载开关能够承受电压输出时电池电平电压也非常重要。

本示例中，建议选择额定电压高于最大电池电压（16 伏）的负载开关。Texas Instruments 的 TPS22810-Q1 是该应用场景中复位负载开关的理想选择。

不应对其他负载连接到连续场效应晶体管之间的共用排水管。这是因为在短路到电池的情况下，负载开关的本体二极管会呈正向偏置，过大的电流可能会损坏设备。如果TPS22810-Q1的VIN电源路径完成了其他负载（如VIN上的故障事件），器件将失效，因为本体二极管无法承受反向电流的流动。

2毫秒后，出现短路到地状态，将V拉下至地（见图3）。在3毫秒时，负载开关被启用。在4毫秒时，短路条件被解除，时间控制开关SW1打开。VOUT 立即恢复为 5 V，Q2 的栅极恢复为 12 V。5毫秒后，负载开关关闭，电路继续正常工作。

3. 用并联负载开关模拟电路，确保电路按预期工作。

利用实时电流检测防止复位过程中的器件损坏

该方案的一个潜在缺陷是：若负载开关启用时接地短路故障仍未排除，负载开关可能承受大电流（如 AM2 波形所示）。3 毫秒时，接地短路路径通过 Q1 的体二极管和负载开关形成。为应对这一情况，需为电路添加诊断功能（检测输出电流水平），并在短路故障持续时快速关闭负载开关。

集成电流检测放大器可帮助工程师了解所连接模块的状态并实现诊断功能。在本示例中，需检测天线是否连接、处于活跃状态，或存在短路 / 开路情况。INA180A2-Q1 电流检测放大器与 200 毫欧电流检测电阻配合使用，可实现这些状态检测：

这些电流消耗数说明了哪些系统规格决定天线状态：

• 输出电流<10 mA：可能天线断开（断开）或短接电池状态

• 10 mA <输出电流 < 25 mA：天线连接，非激活

• 25 mA <输出电流 < 400 mA：天线连接，有源

• 输出电流>400毫安：潜在短接地条件

INA180A2-Q1与电流感应电阻的组合产生了这些输出电压，这些电压可以通过MCU内集成的模数转换器（ADC）轻松转换：

• 输出电流<10 mA（潜在天线断开[开]或短接电池状态）：INA180A2-Q1输出 = 20 mV 至 100 mV

• 10 mA <输出电流< 25 mA：INA180A2-Q1 输出 = 100 mV 至 250 mV

• 25 mA <输出电流 < 400 mA：INA180A2-Q1 输出 = 250 mV 至 4 V

• 输出电流>400 mA（潜在短接地状态）：INA180A2-Q1输出 = 4 V 至 5 V

电流（以数字化电压表示）提供诊断信息，用于控制TPS22810-Q1在短接地状态复位状态下的导通时间。INA180A2-Q1具有210 kHz的高带宽，一旦检测到输出端短接地状态，能够迅速响应。

如果存在短接地状态，系统会尽快关闭TPS22810-Q1，以防止设备发热。关闭时间主要取决于MCU的ADC读出时间和GPIO断言时间。

此外，系统应仅间歇性地开启TPS22810-Q1进行诊断检查，以便在短接事件持续时，负载开关在测试间冷却。

完整的解见图4。

4. 图示为离散eFuse解决方案的最终示意图，包括用于诊断的电流感应放大器。

保护电路的实际测试结果

图5、6和7展示了用实际硬件测试设计的结果。

5. 在输出电压（蓝色）短接至12 V时，源电压（橙色）保持在5 V。Q1栅电压（绿色）在短路期间立即拉低，Q2栅电压（粉色）保持不变。

6. 在输出电压（蓝色）短接地时，源电压（橙色）保持在5伏。Q2的栅极电压（粉色）在短路期间立即拉低，而Q1的栅极电压（绿色）则不受影响。

7. 短接地释放后，电路需要激活负载开关（绿色）以恢复输出电压（蓝色）。栅极电压（粉色）恢复到电池电压水平，而源电压（橙色）保持稳定。

平衡汽车电子保险丝的性能、灵活性与成本

验证场效应晶体管和电流检测电阻两端的电压，对于确保应用场景中的电路正常工作至关重要。本示例采用 Diodes Inc. 的 DMN2050LFDB 汽车级场效应晶体管，每个晶体管的导通电阻（RDS (on)）约为 45 毫欧。由于功率器件采用背对背布局，总导通电阻翻倍至约 100 毫欧；串联 200 毫欧电流检测电阻后，电源与输出端之间的总电阻为 300 毫欧。

假设最大正常工作电流为 400 毫安，根据欧姆定律可计算出串联组件的电压降：V = I × R = 400 毫安 × 300 毫欧 = 120 毫伏。从 5 伏电源电压中减去该压降后，输出电压为 4.88 伏，远高于模块 B 的 4.5 伏容差下限，且为电缆的电阻压降预留了余量。

该设计最显著的优势之一是成本低廉。市场上存在集成度更高的解决方案，可在更小空间内实现几乎相同的功能 —— 例如 Texas Instruments 的 TPS25940-Q1 全集成电子保险丝，封装尺寸仅为 3×4 毫米，远小于分立组件所需空间。然而，对比两种方案主要组件的千件起订价（见表格），分立型方案的成本优势十分明显。

分立式和全集成eFuse的成本比较。

工程设计的核心往往是权衡取舍。尽管分立型电子保险丝并非尺寸最小的解决方案，但它提供了极具成本竞争力的选择，且为优化最终目标预留了充足的灵活性。

关键词： 智能汽车 电子保险丝