中心議題：
- 熔斷器的基本原理
- 熔斷器在車(chē)身控制模塊中的安裝位置
- 不讓汽車(chē)自燃或提供更多保修故障的解決方案
解決方案：
- 仿真熔斷器I2-t特性的智能電路保護(hù)
在今天的車(chē)身控制模塊（BCM）設(shè)計(jì)中，有見(jiàn)識(shí)的工程師機(jī)都盡可能不再使用機(jī)電式繼電器。他們的下一個(gè)發(fā)展方向是停用熔斷器。但是，停用熔斷器是一個(gè)非常必要的解決方案嗎？是一個(gè)用更加復(fù)雜的解決方案取代一個(gè)簡(jiǎn)單而且高效的元器件嗎？
今天的 BCM由大量的固態(tài)開(kāi)關(guān)和熔斷器組成。某些 BCM有多達(dá)8-12個(gè)蓄電池饋路，為60-80個(gè)負(fù)載提供電源，每個(gè)電池饋路都裝有熔斷器，這就是說(shuō)，BCM負(fù)載(車(chē)燈、門(mén)鎖等)是由驅(qū)動(dòng)器組驅(qū)動(dòng)的，每個(gè)驅(qū)動(dòng)器都有一個(gè)熔斷器。為了安全起見(jiàn)，或只是因?yàn)樨?fù)載電流太大，無(wú)法均衡分配，有些負(fù)載需要單獨(dú)配備熔斷器。據(jù)說(shuō)，還有些 BCM只有一個(gè)或兩個(gè)熔斷器。萬(wàn)一輸出失效時(shí)，這些模塊依靠固態(tài)開(kāi)關(guān)提供“熔斷”保護(hù)功能。
熔斷器101
熔斷器從克魯馬努人時(shí)代開(kāi)始流傳下來(lái)。與半導(dǎo)體元器件相比，熔斷器非常簡(jiǎn)單，幾乎不需要什么制造工藝，而且成本低廉……正是因?yàn)楹?jiǎn)單，熔斷器被設(shè)計(jì)成線(xiàn)束保險(xiǎn)裝置，以防短路時(shí)線(xiàn)束變成烤箱電纜。
熔斷器的工作原則是一個(gè)簡(jiǎn)單的I2R與時(shí)間的關(guān)系。電流越大，熔斷或開(kāi)路時(shí)間越短。熔斷器的功耗與通過(guò)熔斷器的電流的平方成正比。當(dāng)功耗過(guò)高時(shí)，熔斷器熔斷。這個(gè)特性同樣適用于受熔斷器保護(hù)的線(xiàn)束。當(dāng)熔斷器的“熔斷”特性與所保護(hù)的線(xiàn)束相似，只是處理電流能力略低時(shí)，熔斷器是一個(gè)理想的選擇。
圖1：I2-t 特性比較
安裝位置
關(guān)于熔斷器從BCM模塊凸出來(lái)的問(wèn)題，有點(diǎn)像房地業(yè)的三條規(guī)則：位置、位置，還是位置。如果模塊有凸出來(lái)的熔斷器，模塊就必需放在車(chē)主能夠檢修的位置。線(xiàn)束布線(xiàn)和模塊方向，以及熔斷器必須放在模塊的什么地方，是令人頭疼的問(wèn)題。所有這些限制和保護(hù)功能增加了模塊的成本和制造難題。下圖所示的福特BCM在CEM3上安裝一個(gè)靈活的電路板后，才能把熔斷器置于模塊的“邊緣”。
圖2：在福特BCM內(nèi)部的熔斷器連接端口陣列
汽車(chē)制造商在給這些BCM模塊/熔斷器單元尋找位置方面具有相當(dāng)高的創(chuàng)新力。我曾在儀表板和發(fā)動(dòng)機(jī)蓋下和踏腳板內(nèi)（前車(chē)門(mén)鉸接區(qū)的右側(cè)）看見(jiàn)過(guò)BCM模塊，甚至還在后座下面看見(jiàn)過(guò)BCM模塊（我的車(chē)子就是這樣）。某些BCM裝有鉸鏈，可以從儀表板下面拉出來(lái)，檢修比較方便。有些BCM則裝在擋板后面，只有查看用戶(hù)手冊(cè)（如果有）才能找到。我不只一次趴在駕駛座椅上，腳壓在的靠背上，頭鉆到儀表板下，尋找那個(gè)失效的熔斷器。
這還不算完，你還要解開(kāi)哪一個(gè)熔斷器號(hào)對(duì)哪一個(gè)功能的啞謎……熔斷器面板除提供幾行編號(hào)外，沒(méi)有任何標(biāo)記。真地像猜謎比賽，除了分值之外，你不能告訴選手任何信息。如果再?zèng)]有用戶(hù)手冊(cè)，BCM就像一個(gè)食品柜，里面裝滿(mǎn)了撕去標(biāo)簽的罐頭……你只能分類(lèi)排查，別無(wú)它法。你只能不斷地猜測(cè)，直到找到失效的熔斷器號(hào)為止。
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固態(tài)熔斷器可解決很多問(wèn)題
熔斷器可能會(huì)因?yàn)闆](méi)有明顯原因而熔斷，熔斷器的容錯(cuò)能力非常差，哪怕是最輕微的短路都會(huì)熔斷（你曾經(jīng)把硬幣掉到點(diǎn)煙器插座/電源插座嗎？）。當(dāng)你最后發(fā)現(xiàn)硬幣并將其取出時(shí)，熔斷器不會(huì)復(fù)位。
如果BCM模塊上沒(méi)有熔斷器，安裝位置就不是這樣問(wèn)題了。把BCM模塊安裝在后座下面，不必鉆到儀表板下檢修BCM模塊，這對(duì)我來(lái)說(shuō)就不再是一個(gè)太大的問(wèn)題。因?yàn)槿蹟嗥饔羞@么多的麻煩，難怪汽車(chē)廠(chǎng)商關(guān)注無(wú)熔斷器或熔斷器較少的BCM解決方案。
不讓汽車(chē)自燃或提供更多保修故障的解決方案
因此，這種解決方案必須可靠，在應(yīng)用系統(tǒng)內(nèi)性能優(yōu)異，幾乎沒(méi)有任何成本。
今天的固態(tài)開(kāi)關(guān)因?yàn)楸Ｗo(hù)形式簡(jiǎn)單，有一點(diǎn)以自我為中心。這就是說(shuō)，它們更加關(guān)注自我保護(hù)，而不是保護(hù)外圍元器件。固態(tài)開(kāi)關(guān)有過(guò)熱和超負(fù)載保護(hù)電路，當(dāng)因輸出短路而限制負(fù)載電流時(shí)，這種元器件是最佳的選擇。因此，用固態(tài)開(kāi)關(guān)替代熔斷器有時(shí)候并不是最佳的選擇。
像硬短路一樣的短路事件比較容易保護(hù)，例如，受驅(qū)動(dòng)器限制的負(fù)載電流。在這種情況下，功耗不是I2R的結(jié)果，而是驅(qū)動(dòng)器上的電壓降與相應(yīng)的限流的結(jié)果。這是一個(gè)高功耗事件，大部分功耗發(fā)生在智能開(kāi)關(guān)上而不是線(xiàn)束上。因此，開(kāi)關(guān)的溫度迅速升高，激活過(guò)熱關(guān)斷功能，從而保護(hù)相關(guān)的線(xiàn)束。
車(chē)身模塊中的大多數(shù)負(fù)載是燈泡。燈泡有一個(gè)很難處理的特性：涌流，我們了解并喜歡這個(gè)特性。涌流要求強(qiáng)迫固態(tài)開(kāi)關(guān)的限流值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于穩(wěn)定狀態(tài)開(kāi)關(guān)操作所需的限流值。我所說(shuō)的一切都是為了說(shuō)明：當(dāng)沒(méi)有發(fā)生嚴(yán)重的硬短路事件時(shí)，這些高涌流的元器件準(zhǔn)許異常高的穩(wěn)態(tài)電流在線(xiàn)束內(nèi)流動(dòng)，這就是固態(tài)開(kāi)關(guān)保護(hù)自我而不保護(hù)所在系統(tǒng)的情況。這時(shí)，電流強(qiáng)度還不足以激活開(kāi)關(guān)限流功能，但是足以燒毀線(xiàn)束或電路板。
在圖3的示例中有一個(gè)點(diǎn)，智能開(kāi)關(guān) (VN5010)將繼續(xù)前行，而電線(xiàn)將開(kāi)始自毀（紅線(xiàn)在藍(lán)色虛線(xiàn)上方）。如果這種情況是真實(shí)的，甚至連電路板都可能會(huì)自毀?，F(xiàn)在考慮到涌流要求很可能更加嚴(yán)格，我們開(kāi)始意識(shí)到有必要開(kāi)發(fā)一個(gè)能夠仿真熔斷器特性的保護(hù)算法。
在用一個(gè)“大熔斷器”保護(hù)多個(gè)上橋臂驅(qū)動(dòng)負(fù)載的應(yīng)用中，有些問(wèn)題需要考慮。在這些應(yīng)用中，“大熔斷器”的電流處理功能可能高于任何一條被保護(hù)的線(xiàn)束。因此，當(dāng)一條電線(xiàn)上出現(xiàn)“軟短路”時(shí)，如果上橋臂驅(qū)動(dòng)器十分強(qiáng)健，能夠處理更高的短路電流和熔斷保護(hù)功能，那么線(xiàn)束或電路板可能會(huì)自毀。
圖4：當(dāng)智能開(kāi)關(guān)只能自我保護(hù)時(shí)的后果
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該解決方案是實(shí)現(xiàn)一個(gè)能夠仿真熔斷器的I2-t特性的智能電路保護(hù)算法。這個(gè)概念可轉(zhuǎn)化為“曲線(xiàn)下面積”。在下圖(圖 5)中，曲線(xiàn)下面積(A區(qū))是保護(hù)算法的I2-t界限內(nèi)。B區(qū)所示是在一段時(shí)間內(nèi)的恒定超負(fù)載條件，其中，超負(fù)載電流小于智能開(kāi)關(guān)的限流值。在這個(gè)圖中，當(dāng)限流值超過(guò)曲線(xiàn)時(shí)，智能開(kāi)關(guān)不會(huì)被閉鎖。當(dāng)B區(qū)突破A區(qū)時(shí)，器件閉鎖。 這個(gè)原則適用于超負(fù)載在開(kāi)關(guān)激活后存在很長(zhǎng)時(shí)間的狀況。
圖5：超負(fù)載與功率限制區(qū)比較
可能存在一種特殊的瞬間過(guò)流狀況：瞬間過(guò)流超出曲線(xiàn)與A區(qū)交接的界限，但是“曲線(xiàn)下面積”不足以產(chǎn)生錯(cuò)誤開(kāi)關(guān)條件。在下圖中(圖6)，這個(gè)錯(cuò)誤是很?chē)?yán)重的，但是因?yàn)闀r(shí)長(zhǎng)太短，不足以產(chǎn)生錯(cuò)誤開(kāi)關(guān)條件。
圖6：瞬間錯(cuò)誤不會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤關(guān)斷狀況
這種保護(hù)算法準(zhǔn)許出色多個(gè)涌流，同時(shí)不會(huì)強(qiáng)制系統(tǒng)處理比正常高出很多的穩(wěn)態(tài)電流。因此，這種算法提供一個(gè)強(qiáng)健的保護(hù)功能，既可以保護(hù)開(kāi)關(guān)本身，又可以保護(hù)被開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)的線(xiàn)束。再加上其它的安全機(jī)制，如內(nèi)置的看門(mén)狗和激活功能，這個(gè)已經(jīng)很安全的解決方案將會(huì)變得更加安全。
利用一個(gè)升降序計(jì)數(shù)器，可以在芯片上實(shí)現(xiàn)這個(gè)算法，控制該升降序計(jì)數(shù)器的是流經(jīng)開(kāi)關(guān)的電流的平方(圖 7)。
圖7： i-t 限制控制環(huán)路
計(jì)數(shù)器的方向由參考電流確定。當(dāng)檢測(cè)電流高于參考電流閾值時(shí)，計(jì)數(shù)器升序計(jì)數(shù)，速率與檢測(cè)電流和參考電流的差的平方成正比。當(dāng)檢測(cè)電流低于參考電流閾值時(shí)，計(jì)數(shù)器以固定值降序計(jì)數(shù)。固定降序計(jì)數(shù)值的設(shè)定目的是更好地估算熔斷器的散熱性。
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這個(gè)閾值涌流要比電線(xiàn)的電流處理能力略低（如圖3所示，小于14A DC)。計(jì)數(shù)器一旦達(dá)到某一個(gè)預(yù)設(shè)值后，輸出就會(huì)被立即關(guān)斷。因?yàn)檫@種算法是利用熔斷器型的特性保護(hù)電線(xiàn)，所以直到微控制器重新初始化，將輸出重新導(dǎo)通之前，驅(qū)動(dòng)器始終保持關(guān)斷狀態(tài)。
圖8：采用保護(hù)算法的外推i2-t曲線(xiàn)與電線(xiàn)和熔斷器比較
實(shí)現(xiàn)這種保護(hù)方法的智能開(kāi)關(guān)系列產(chǎn)品的應(yīng)用，可降低給定車(chē)身電子模塊的線(xiàn)束成本，限制熔斷器的數(shù)量，同時(shí)提高可靠性和安全性。
當(dāng)一次短路輸出最終燒毀了她的BCM時(shí)，車(chē)廂內(nèi)充滿(mǎn)了刺鼻的燒焦味，如圖4電路板所示，該車(chē)的車(chē)主買(mǎi)了一輛新車(chē)，有同樣遭遇的車(chē)主不是很少。彌補(bǔ)一輛價(jià)值3000美元的汽車(chē)的置換損失需要很多個(gè)模塊。模塊的單價(jià)比較昂貴，底價(jià)不易被接受。從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，多花一點(diǎn)錢(qián)增加這種保護(hù)裝置是物有所值的。
