汽车熔断器的失效保护方法

中心议题：
    * 车身控制模块（BCM）原理
    * BCM熔断器的各种问题
解决方案：
    * 使用能够仿真熔断器的智能保护电路

在今天的车身控制模块（BCM）设计中，有见识的工程师机都尽可能不再使用机电式继电器。他们的下一个发展方向是停用熔断器。但是，停用熔断器是一个非常必要的解决方案吗？是一个用更加复杂的解决方案取代一个简单而且高效的元器件吗？

今天的 BCM由大量的固态开关和熔断器组成。某些 BCM有多达8-12个蓄电池馈路，为60-80个负载提供电源，每个电池馈路都装有熔断器，这就是说，BCM负载(车灯、门锁等)是由驱动器组驱动的， 每个驱动器都有一个熔断器。为了安全起见，或只是因为负载电流太大，无法均衡分配，有些负载需要单独配备熔断器。据说，还有些 BCM只有一个或两个熔断器。万一输出失效时，这些模块依靠固态开关提供“熔断”保护功能。 

熔断器从克鲁马努人时代开始流传下来。与半导体元器件相比，熔断器非常简单，几乎不需要什么制造工艺，而且成本低廉……正是因为简单，熔断器被设计成线束保险装置，以防短路时线束变成烤箱电缆。

熔断器的工作原则是一个简单的I2R与时间的关系。电流越大，熔断或开路时间越短。熔断器的功耗与通过熔断器的电流的平方成正比。当功耗过高时，熔断器熔 断。这个特性同样适用于受熔断器保护的线束。当熔断器的“熔断”特性与所保护的线束相似，只是处理电流能力略低时，熔断器是一个理想的选择。

    
  图3：I2-t 特性比较

安装位置

关于熔断器从BCM模块凸出来的问题，有点像房地业的三条规则：位置、位置，还是位置。如果模块有凸出来的熔断器，模块就必需放在车主能够检修的位置。线 束布线和模块方向，以及熔断器必须放在模块的什么地方，是令人头疼的问题。所有这些限制和保护功能增加了模块的成本和制造难题。下图所示的福特BCM在 CEM3上安装一个灵活的电路板后，才能把熔断器置于模块的“边缘”。 

  
      图4：在福特BCM内部的熔断器连接端口阵列

汽车制造商在给这些BCM模块/熔断器单元寻找位置方面具有相当高的创新力。我曾在仪表板和发动机盖下和踏脚板内（前车门铰接区的右侧）看见过BCM模 块，甚至还在后座下面看见过BCM模块（我的车子就是这样）。某些BCM装有铰链，可以从仪表板下面拉出来，检修比较方便。有些BCM则装在挡板后面，只 有查看用户手册（如果有）才能找到。我不只一次趴在驾驶座椅上，脚压在的靠背上，头钻到仪表板下，寻找那个失效的熔断器。

这还不算完，你还要解开哪一个熔断器号对哪一个功能的哑谜……熔断器面板除提供几行编号外，没有任何标记。真地像猜谜比赛，除了分值之外，你不能告诉选手 任何信息。如果再没有用户手册，BCM就像一个食品柜，里面装满了撕去标签的罐头……你只能分类排查，别无它法。你只能不断地猜测，直到找到失效的熔断器 号为止。

 

固态熔断器可解决很多问题

熔断器可能会因为没有明显原因而熔断，熔断器的容错能力非常差，哪怕是最轻微的短路都会熔断（你曾经把硬币掉到点烟器插座/电源插座吗？）。当你最后发现硬币并将其取出时，熔断器不会复位。

如果BCM模块上没有熔断器，安装位置就不是这样问题了。把BCM模块安装在后座下面，不必钻到仪表板下检修BCM模块，这对我来说就不再是一个太大的问题。因为熔断器有这么多的麻烦，难怪汽车厂商关注无熔断器或熔断器较少的BCM解决方案。

不让汽车自燃或提供更多保修故障的解决方案

因此，这种解决方案必须可靠，在应用系统内性能优异，几乎没有任何成本。

今天的固态开关因为保护形式简单，有一点以自我为中心。这就是说，它们更加关注自我保护，而不是保护外围元器件。固态开关有过热和超负载保护电路，当因输出短路而限制负载电流时，这种元器件是最佳的选择。因此，用固态开关替代熔断器有时候并不是最佳的选择。
 
      
  图5：智能上桥臂开关与熔断器性能比较
像硬短路一样的短路事件比较容易保护，例如，受驱动器限制的负载电流。在这种情况下，功耗不是I2R的结果，而是驱动器上的电压降与相应的限流的结果。这 是一个高功耗事件，大部分功耗发生在智能开关上而不是线束上。因此，开关的温度迅速升高，激活过热关断功能，从而保护相关的线束。

车身模块中的大多数负载是灯泡。灯泡有一个很难处理的特性：涌流，我们了解并喜欢这个特性。涌流要求强迫固态开关的限流值远远高于稳定状态开关操作所需的 限流值。我所说的一切都是为了说明：当没有发生严重的硬短路事件时，这些高涌流的元器件准许异常高的稳态电流在线束内流动，这就是固态开关保护自我而不保 护所在系统的情况。这时，电流强度还不足以激活开关限流功能，但是足以烧毁线束或电路板。

在图5的示例中有一个点，智能开关 (VN5010)将继续前行，而电线将开始自毁（红线在蓝色虚线上方）。如果这种情况是真实的，甚至连电路板都可能会自毁。现在考虑到涌流要求很可能更加严格，我们开始意识到有必要开发一个能够仿真熔断器特性的保护算法。

在用一个“大熔断器”保护多个上桥臂驱动负载的应用中，有些问题需要考虑。在这些应用中，“大熔断器”的电流处理功能可能高于任何一条被保护的线束。因 此，当一条电线上出现“软短路”时，如果上桥臂驱动器十分强健，能够处理更高的短路电流和熔断保护功能，那么线束或电路板可能会自毁。

   
   图6：当智能开关只能自我保护时的后果

 

解决方案

该解决方案是实现一个能够仿真熔断器的I2-t特性的智能电路保护算法。这个概念可转化为“曲线下面积”。在下图(图 7)中，曲线下面积(A区)是保护算法的I2-t界限内。B区所示是在一段时间内的恒定超负载条件，其中，超负载电流小于智能开关的限流值。在这个图中， 当限流值超过曲线时，智能开关不会被闭锁。当B区突破A区时，器件闭锁。 这个原则适用于超负载在开关激活后存在很长时间的状况。
   
  图7：超负载与功率限制区比较

可能存在一种特殊的瞬间过流状况：瞬间过流超出曲线与A区交接的界限，但是“曲线下面积”不足以产生错误开关条件。在下图中(图8)，这个错误是很严重的，但是因为时长太短，不足以产生错误开关条件。

   
  图8：瞬间错误不会产生错误关断状况


这种保护算法准许出色多个涌流，同时不会强制系统处理比正常高出很多的稳态电流。因此，这种算法提供一个强健的保护功能，既可以保护开关本身，又可以保护被开关驱动的线束。再加上其它的安全机制，如内置的看门狗和激活功能，这个已经很安全的解决方案将会变得更加安全。

利用一个升降序计数器，可以在芯片上实现这个算法，控制该升降序计数器的是流经开关的电流的平方(图 9)。



计数器的方向由参考电流确定。当检测电流高于参考电流阈值时，计数器升序计数，速率与检测电流和参考电流的差的平方成正比。当检测电流低于参考电流阈值时，计数器以固定值降序计数。固定降序计数值的设定目的是更好地估算熔断器的散热性。

这个阈值涌流要比电线的电流处理能力略低（如图5所示，小于14A DC)。计数器一旦达到某一个预设值后，输出就会被立即关断。因为这种算法是利用熔断器型的特性保护电线，所以直到微控制器重新初始化，将输出重新导通之前，驱动器始终保持关断状态。


图10：采用保护算法的外推i2-t曲线与电线和熔断器比较

实现这种保护方法的智能开关系列产品的应用，可降低给定车身电子模块的线束成本，限制熔断器的数量，同时提高可靠性和安全性。

当一次短路输出最终烧毁了她的BCM时，车厢内充满了刺鼻的烧焦味，如图6电路板所示，该车的车主买了一辆新车，有同样遭遇的车主不是很少。弥补一辆价值 3000美元的汽车的置换损失需要很多个模块。模块的单价比较昂贵，底价不易被接受。从长远看，多花一点钱增加这种保护装置是物有所值的。