在汽車系統中，每一個電氣連接的完整性都至關重要。但連接電子模塊的電纜始終面臨兩種常見故障模式的風險：接地短路和電池短路。

短路是指兩根導線短接在一起或將導線短接到金屬框架時發生的。它可能是由于電纜絕緣層劣化、連接器損壞，甚至在制造過程中誤將螺絲插入線束所致。當電氣系統中的信號短路到電池電壓（VBAT時），就會出現短路到電池的情況。

這兩種故障都可能使電子模塊、元件或電路暴露在超出其規定額定值的電壓和電流下，通常會帶來代價高昂或危險的后果（見圖1）。

1. 組裝過程中，電纜容易出現多種短路情況。

許多汽車應用中的集成電路配備了帶電流限制和故障輸出的電源開關，以檢測并安全地處理這些短路情況。當發生地線短路或電池短路事件時，這些設備會發送故障信號——通常導向輸出引腳——提醒系統采取保護措施。在檢測到故障時，設備可能自動關閉或限制電流，以防止自身及系統其他組件受損。

然而，系統中并非所有組件和電路都具備相同的內部診斷和保護特性。即使有保護措施，也未必能防護所有類型的汽車短路。

考慮一個直流-直流轉換器，它對PCB上的內部元件和連接到模塊的電纜都供電（見圖2）。雖然電源可能防止短路，但PCB上的元件仍可能發生電池短路，容易造成損壞。歸根結底，保護處理器及PCB上的所有部件都需要精心設計電路層面。

2. 當電纜接口和PCB上的元件共享電壓時，電池短路可能帶來災難性后果。

隨著全集成電子熔斷器（eFuse）在數據中心等領域越來越廣泛應用，本文展示了如何利用一系列功率場效應晶體管設計獨立電子熔斷器，提供短接地和短接電池保護。

二極管保護汽車電力系統——保護不了

串聯二極管是一種常見的保護方法，用于防止電池短路。當電纜短路電壓高于二極管陽極時，二極管會變得反向偏置，確保陽極側的系統電壓完全免受高電壓影響。這也防止了任何反向電流（見圖3）。

3. 串聯二極管是一種簡單且經濟有效的方法，用于保護內部電路免受高壓短路電池的傷害。

然而，串聯二極管存在若干缺點，最顯著的是正向導通時的較大正向電壓降。

考慮一個常見例子，一個模塊為另一個模塊的天線供電（見圖4）。模塊B需要5伏（±10%容差）來供電給天線，該電壓由模塊A上的5伏穩壓器產生。在這種情況下，標準二極管正向電壓為700 mV會將模塊B的電壓限制在4.3 V，低于天線模塊要求的4.5 V（5 V減去10%）。

4. 巧妙使用N通道場效應晶體管實現短接電池保護，且避免串聯二極管帶來的巨大電壓降。

一種潛在的解決方案是使用正向壓降約為200至300 mV的肖特基二極管。但肖特基二極管通常比標準二極管更昂貴，而且它們只保護陰極電壓高于陽極的特殊短路條件。無論是硅二極管還是肖特基二極管，都無法保護系統免受短接地狀態的影響。

此外，肖特基二極管200至300毫伏的正向電壓降阻礙了電路中診斷功能的添加。

利用場效應晶體管（FET）應對短接電池條件

N通道場效應晶體管（FET）可用于實現短接電池保護，而無需串聯二極管帶來的較大電壓降。

這種實現確保了場效應管的本體二極管與串聯二極管方向一致。用車輛電池驅動N通道FET的柵極，確保有足夠的電壓完全增強FET。因此，只要源電壓低于車輛電池電壓，至少低于N通道場效應晶體效應晶體的閾值電壓額定值，N通道場效應晶體效應管的RDS（on）最小，因此電壓降最小。

短路條件需要額外電路快速關閉場效應晶體管。一個簡單的比較器可以在輸出電壓大于預期5伏時迅速將柵極電壓降為低。

德州儀器的寬V輸入比較器（TL331B-Q1）在此情況下起著關鍵作用，因為在電池短路時，負極可能會暴露在高電壓下。比較電路設計時，將模塊在場效應晶體（VOUT）后的輸出電壓連接到TL331B-Q1的負極（見圖5）。目標是確保當VOUT處的電壓超過目標輸出電壓預設時，比較器輸出能使場效應晶體的柵極降低。

5. 使用比較器在短路條件下快速關閉N通道場效應晶體效應管。

假設前面的例子是5 V±（電壓輸出時10%），將參考值設為5.5 V以上（5 V加10%），并用電池的簡單電阻分壓器創建一個參考電壓，標稱高于5.5 V。

許多汽車電路需要在9到16伏之間的電壓正常運行，因為電池電壓可以實時波動。在這種情況下，我會將參考電壓設為8V，電壓分壓器為500 Ω，12伏電池供電1 kΩ。

通過極端電壓，最低電池電壓為9伏，參考電壓為6伏，但仍高于5.5伏閾值。如果電池電壓高達16伏，參考電壓約為10.7伏，這仍然是檢測短路狀態的合理參考電壓。

激活時，比較器強制關閉場效應管，而場效應晶體二極管的本體二極管確保場效應晶體管源端無高壓暴露，反向電流最小。當輸出短接為VBAT（此處為12 V）時，穩壓的5伏軌保持在5 V（見圖6）。然而，單個場效應晶體效應晶體效應管（FET）無法解決短接地問題，因為在該場景下，體體二極管會導通。

6. 使用場效應晶體管（FET）可以保護內部電路免受短接電池的傷害，但在短接地情況下確保安全需要額外的巧妙設計努力。

應對短距到地場景的挑戰

短接地條件需要在系統中添加第二個場效應晶體管，且本體二極管朝相反方向（見圖7），以阻止故障時電源過量電流流出。與第一個場效應晶體效應管類似，正常運行時，N通道場效應晶體管的柵極將由高壓電池（12伏）驅動，以完全增強場效應晶體效應。

7. TL331B-Q1與Q2結合，可防止電池短路。

短接地狀態需要額外電路快速關閉場效應晶體電晶體管——與短路電池狀況完全相同。同樣，簡單的比較器可以在輸出電壓低于預期5伏時迅速將柵極電壓降為低。

在這種情況下，需要第二個寬V輸入比較器（TL331B-Q1）（見圖7和圖8）。比較器電路通過將模塊在場效應晶體管（V-OUT）后的輸出電壓連接到TL331B-Q1的正極而集成。

8. 為防止短路與地條件，電路中集成第二個比較器作為電子保險絲。

需要建立第二個參考電壓，以確保當VOUT處的電壓低于目標電壓預定時，比較器輸出能使FET的柵極降低。給定一個5 V±10% VOUT時的例子，將參考值設在4.5 V以下（5 V減去10%）。使用1 kΩ和4 kΩ的分壓器連接到5-V穩壓軌，創建一個4 V的參考電壓。

由于該設計利用了兩個比較器，TI的LM2903B-Q1被用來將它們集成為單一參數等效器件。背靠背的場效應晶體管與雙比較器結合，為離散eFuse奠定了基礎。