eFuse，徹底火了

汽車(chē)卷起來(lái)了，eFuse（電子保險(xiǎn)絲）也被帶火了。但事實(shí)上，eFuse的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不止汽車(chē)，服務(wù)器電源、消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)都會(huì)用到它。而相關(guān)廠商，也在不斷增大對(duì)他的布局。

本文將從eFuse的原理、與高邊開(kāi)關(guān)的區(qū)別、eFuse的選擇和相關(guān)廠商的布局全面盤(pán)點(diǎn)eFuse目前的市場(chǎng)。

eFuse的工作原理

目前，保險(xiǎn)絲分為很多種，常見(jiàn)保險(xiǎn)絲分為三種：傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲、可復(fù)位聚合物正溫度系數(shù)(PTC) 器件和智能電子保險(xiǎn)絲IC（eFuse）。

傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲：一次性保護(hù)元件，電流超額定閾值時(shí)，過(guò)流產(chǎn)生的熱量會(huì)熔化導(dǎo)電元件，從而永久斷開(kāi)電路。它具備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高的優(yōu)勢(shì)，電壓和電流額定值選擇廣泛且跳閘曲線特性好，但存在不可復(fù)位需手動(dòng)更換、不適用于難維修或便攜式設(shè)備的局限，較大型號(hào)還會(huì)占用PCB空間，不過(guò)表面貼裝型可用于藍(lán)牙揚(yáng)聲器、手持遙控器等小型設(shè)備的自動(dòng)化組裝。

PPTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲：由導(dǎo)電聚合物材料制成，過(guò)電流加熱時(shí)電阻會(huì)急劇增加，故障清除并冷卻后能自動(dòng)復(fù)位。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊的表面貼裝設(shè)計(jì)，且在低壓應(yīng)用中經(jīng)濟(jì)高效，不過(guò)響應(yīng)時(shí)間慢于傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲和電子保險(xiǎn)絲，性能受環(huán)境溫度影響，復(fù)位后缺乏可重復(fù)性，僅適用于低壓、低電流電路，常見(jiàn)于可充電電池組、USB 外圍電路以及美容工具、機(jī)器人吸塵器等帶小型直流電機(jī)的產(chǎn)品。

電子保險(xiǎn)絲（eFuse）：集成功率MOSFET與控制和保護(hù)邏輯的集成電路，能提供快速精確的過(guò)流保護(hù)，不少型號(hào)還集成過(guò)壓保護(hù)、熱關(guān)斷、反向電流阻斷、軟啟動(dòng)和故障報(bào)告等功能。它響應(yīng)時(shí)間極快，電流限值和故障閾值可編輯，支持遠(yuǎn)程復(fù)位與診斷，但成本高于傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲和PPTC，需要偏置電源且部分需集成MCU，適合 USB-C供電端口、嵌入式控制模塊、固態(tài)硬盤(pán)（SSD）、物聯(lián)網(wǎng)集線器、汽車(chē)、服務(wù)器等需緊湊型智能保護(hù)的場(chǎng)景。

保險(xiǎn)絲熔斷是一種確保電氣系統(tǒng)可以安全隔離的簡(jiǎn)單方法，可以避免電池的高電流消耗導(dǎo)致電纜過(guò)熱甚至起火。但由于很多系統(tǒng)故障并不嚴(yán)重，甚至希望系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)行而不是簡(jiǎn)單熔斷，這時(shí)eFuse的可恢復(fù)性就顯得非常重要。

從原理來(lái)看，eFuse是一種串聯(lián)連接到主電源軌的低電阻開(kāi)關(guān)，由邏輯電路控制，用于保護(hù)負(fù)載和電源。當(dāng)發(fā)生過(guò)載或短路情況時(shí)，eFuse會(huì)將電流限制在預(yù)定義的安全值，并在過(guò)壓情況下將輸出電壓限制在安全水平，從而保護(hù)負(fù)載免受電源故障引起的異常影響。如果故障情況持續(xù)存在，eFuse會(huì)將負(fù)載與電源斷開(kāi)。根據(jù)不同版本，eFuse可以在鎖斷模式下運(yùn)行，需手動(dòng)重啟，也可以在自動(dòng)重試模式下自動(dòng)恢復(fù)。

當(dāng)前eFuse技術(shù)的發(fā)展主要圍繞“更高集成度、更低功耗、更廣適配性”三大核心方向展開(kāi)，行業(yè)內(nèi)多以 TI（德州儀器）、ADI（亞德諾）、ONsemi（安森美）等國(guó)際廠商的技術(shù)平臺(tái)作為主要參考，其產(chǎn)品也已從早期僅具備單一保護(hù)功能，逐步發(fā)展到能夠提供多維度智能保護(hù)的階段。

其中，當(dāng)前主流的第二代、第三代eFuse已實(shí)現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫等多參數(shù)的可編程調(diào)節(jié)，還集成了狀態(tài)反饋功能，廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、筆記本電腦、汽車(chē)低壓電路等各類(lèi)場(chǎng)景；而在高端方向上，第四代eFuse正朝著“高壓高功率”與“系統(tǒng)級(jí)集成”兩大方向突破，不僅能支持60V以上的高壓場(chǎng)景（如新能源汽車(chē)的高壓輔助電路），還集成了I2C、SPI等通信接口，可與系統(tǒng)MCU進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)保護(hù)策略的調(diào)整。

封裝技術(shù)創(chuàng)新是提升eFuse芯片性能的關(guān)鍵，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)分兩種：分立式封裝靠Cu Clip+WB工藝主導(dǎo)高壓場(chǎng)景，銅夾片與基板直連可提升散熱效率，納米銀燒結(jié)方案更將熱導(dǎo)率提至傳統(tǒng)材料3倍，且分立元件支持48V、100V以上高電壓，適配工業(yè)設(shè)備、電動(dòng)汽車(chē)等高壓、大功率、定制化場(chǎng)景；集成式結(jié)構(gòu)多用于低壓場(chǎng)景，如USB供電（5V）、筆記本電腦（12-20V）、服務(wù)器（12-48V），典型如TI的TPS2592xx系列（支持 30V），適合消費(fèi)電子、通信設(shè)備等低壓、小型化、智能化場(chǎng)景。當(dāng)前集成式eFuse正向高壓領(lǐng)域滲透，分立式結(jié)構(gòu)在超高電壓、特殊環(huán)境等極端條件下仍不可替代。

eFuse與HSD“傻傻分不清楚”

eFuse（電子保險(xiǎn)絲）與 HSD（高邊開(kāi)關(guān)）是常被同時(shí)提及的兩種器件，很時(shí)候其實(shí)很容易”傻傻分不清楚“。

它們雖可能處于電路中的相同位置，且部分高端型號(hào)會(huì)集成對(duì)方的功能，比如帶保護(hù)功能的高邊開(kāi)關(guān)、帶控制功能的eFuse，但核心功能存在明顯差異，同時(shí)又能形成一定的協(xié)同作用。其分類(lèi)始終以“核心功能” 為根本標(biāo)準(zhǔn)：若以保護(hù)為優(yōu)先，則歸為eFuse；若以控制為優(yōu)先，則屬于HSD。

eFuse的核心定位是 “以保護(hù)為核心的器件”，本質(zhì)上是 “電子形式的保險(xiǎn)絲”，主要用于替代傳統(tǒng)熔斷式保險(xiǎn)絲，借助半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的精準(zhǔn)保護(hù)。它的核心功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)電路中的異常情況，如過(guò)流、過(guò)壓、短路、過(guò)溫、反向電流等，并通過(guò)切斷電路或限制電流的方式，保護(hù)后端負(fù)載、電源及整個(gè)系統(tǒng)免受損壞；關(guān)鍵特性包括具備自恢復(fù)能力，無(wú)需像傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲那樣手動(dòng)更換，擁有可設(shè)定的精確保護(hù)閾值，響應(yīng)速度可達(dá)微秒級(jí)，部分型號(hào)還集成了欠壓保護(hù)、浪涌抑制等附加功能，其設(shè)計(jì)目標(biāo)始終是優(yōu)先保障電路的安全性，而非追求高效的開(kāi)關(guān)控制。

HSD則是 “以控制為核心的器件”，本質(zhì)是 “位于高邊（電源正極側(cè)）的電子開(kāi)關(guān)”，核心功能是對(duì)負(fù)載與電源的連接或斷開(kāi)進(jìn)行控制。它通常受MCU的GPIO等控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)啟停、燈光開(kāi)關(guān)等負(fù)載的通斷操作，部分HSD雖也集成了過(guò)流、過(guò)溫等基礎(chǔ)保護(hù)功能，但這些保護(hù)僅為輔助作用；關(guān)鍵特性體現(xiàn)在低導(dǎo)通電阻，能有效減少功耗，具備快速開(kāi)關(guān)速度以支持PWM控制，且兼容邏輯電平控制，更注重開(kāi)關(guān)效率與控制靈活性，其設(shè)計(jì)目標(biāo)是優(yōu)先實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的高效、可靠控制，保護(hù)功能僅作為附加的 “安全冗余” 存在。

廠商在不同領(lǐng)域的布局

目前，eFuse擁有不同的場(chǎng)景。

服務(wù)器領(lǐng)域：

隨著 AI 芯片性能的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，服務(wù)器功耗呈現(xiàn)爆發(fā)式上升。以英偉達(dá)為例，其 B200 GPU 單芯片功耗達(dá)1000W，GB200 更突破至 2700W，驅(qū)動(dòng)單機(jī)柜功率從20kW躍升至120kW以上。傳統(tǒng) 12V 電源架構(gòu)在高功率傳輸時(shí)正在面臨嚴(yán)重瓶頸：電流激增導(dǎo)致 I2R 損耗劇增，散熱成本攀升，同時(shí)線束體積與重量限制了系統(tǒng)擴(kuò)展性。這迫使數(shù)據(jù)中心必須采用更高電壓的電源架構(gòu)以應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

隨著48V電源母線的升級(jí)，對(duì)于熱插拔（Hot-Swap）技術(shù)也有著相應(yīng)的改變。

德州儀器認(rèn)為，隨著功率需求的增長(zhǎng)通常導(dǎo)致解決方案體積增大、設(shè)計(jì)復(fù)雜化，并增加故障檢測(cè)與保護(hù)的難度。此外，在確保安全運(yùn)行和最小化功率損耗的同時(shí)管理大電流成為關(guān)鍵問(wèn)題。傳統(tǒng)熱插拔控制器與分立FET的組合在高功率應(yīng)用中面臨顯著限制。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，德州儀器推出集成電源路徑保護(hù)的48V熱插拔電子保險(xiǎn)絲（eFuse）器件，專(zhuān)為數(shù)據(jù)中心應(yīng)用設(shè)計(jì)，具有高可靠性和緊湊性。與需要外部檢測(cè)電阻和電流檢測(cè)放大器的方案不同，TPS1689和TPS1685通過(guò)集成這些功能簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)，在支持高功率無(wú)縫擴(kuò)展的同時(shí)，將解決方案尺寸縮減高達(dá)50%。

TPS1689 的差異化特性之一是消隱定時(shí)器，它通過(guò)使系統(tǒng)區(qū)分峰值負(fù)載電流和實(shí)際故障條件來(lái)防止誤觸發(fā)。該功能增強(qiáng)了系統(tǒng)可靠性，避免不必要的停機(jī)。器件還支持堆疊功能以提升電流處理能力，允許多個(gè)器件在高功率應(yīng)用中協(xié)同工作。集成的故障記錄黑匣子、FET 安全工作區(qū)保障、主動(dòng)均流和健康監(jiān)測(cè)等特性進(jìn)一步增強(qiáng)了系統(tǒng)彈性。TPS1689 采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)通用封裝，提供確保可靠運(yùn)行的電源管理解決方案。

汽車(chē)領(lǐng)域：

在汽車(chē)電子領(lǐng)域，eFuse已是高壓平臺(tái)安全的核心。以特斯拉Model 3為例，其400V電池管理系統(tǒng)用多顆 eFuse實(shí)現(xiàn)8節(jié)電芯精準(zhǔn)控制，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)充放電風(fēng)險(xiǎn)，還能借主動(dòng)均衡技術(shù)延長(zhǎng)15%以上電池壽命；800V快充系統(tǒng)中，英飛凌CoolSiC eFuse憑借1200V耐壓與600A峰值電流承載能力，解決了傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲易熔斷、響應(yīng)慢的問(wèn)題，成為超級(jí)快充的關(guān)鍵保障。

汽車(chē)智能配電架構(gòu)借助高邊開(kāi)關(guān)、eFuse芯片、MOSFET等半導(dǎo)體器件，逐步替代傳統(tǒng)機(jī)械保險(xiǎn)絲與繼電器，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備供電、狀態(tài)采集、智能檢測(cè)、故障快速隔離及用電管理的集成化。通過(guò)智能化與模塊化設(shè)計(jì)，該架構(gòu)不僅構(gòu)建出更高效、安全、靈活的配電網(wǎng)絡(luò)，提升系統(tǒng)可靠性，還減少了線束冗余設(shè)計(jì)，同時(shí)推動(dòng)配電模式從傳統(tǒng)集中式向分布式轉(zhuǎn)變：集中式配電是將電池電能直接分配至各負(fù)載系統(tǒng)，而分布式架構(gòu)通過(guò)多個(gè)小型配電中心實(shí)現(xiàn)區(qū)域化控制，能進(jìn)一步優(yōu)化車(chē)輛電氣性能、減少線束連接數(shù)量，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。

eFsue作為智能配電系統(tǒng)的核心元件，集成保護(hù)與開(kāi)關(guān)功能，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)診斷、自動(dòng)復(fù)位與快速響應(yīng)，具備I2t/I-t線束保護(hù)能力，還支持OTA升級(jí)；此外，它能為低功耗負(fù)載供電并擁有自恢復(fù)功能，有效提升配電網(wǎng)絡(luò)的安全性與效率。總之，與傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲相比，eFuse可提供更精確、靈活的保護(hù)機(jī)制，能更好地滿足自動(dòng)駕駛系統(tǒng)與完全線控系統(tǒng)對(duì)配電安全的需求。

受新能源汽車(chē)智能化、電動(dòng)化發(fā)展及市場(chǎng)需求推動(dòng)，eFuse芯片市場(chǎng)規(guī)模快速增長(zhǎng)。全球 eFuse市場(chǎng)規(guī)模2024年達(dá)482.3億元，預(yù)計(jì)2030年增至789.8億元；中國(guó)車(chē)規(guī)eFuse市場(chǎng)規(guī)模2025年約29.9億元，2030年預(yù)計(jì)達(dá)149.1億元。

目前，許多廠商都在積極加大對(duì)于車(chē)用eFuse的布局：

• 安森美推出NIV3071 eFuse，具備四個(gè)可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)或并聯(lián)的集成通道，支持48V和 12V負(fù)載，能保護(hù)下游電路免受過(guò)流、過(guò)溫及接地短路影響，還可通過(guò)FAULT引腳提供故障指示，并擁有可配置電流限制與導(dǎo)通時(shí)間功能。

• 意法半導(dǎo)體新產(chǎn)品VNF9Q20F采用單晶片VIPower M0-9 MOSFET工藝與STi2Fuse專(zhuān)利技術(shù)，100μs內(nèi)可響應(yīng)過(guò)流并關(guān)斷，能增強(qiáng)電壓穩(wěn)定性、防止過(guò)熱，還支持電容充電模式以適配大電容負(fù)載，且新產(chǎn)品支持 SPI數(shù)字接口。

• 英飛凌PROFET Load Guard系列eFuse設(shè)計(jì)靈活性高，可調(diào)整過(guò)流限制，單/雙通道器件引腳功能兼容、更換簡(jiǎn)便，集成容性負(fù)載開(kāi)關(guān)模式，低電流區(qū)域電流檢測(cè)精度優(yōu)，提供PRO-SIL ISO 26262-ready文檔，適配自動(dòng)駕駛等場(chǎng)景對(duì)傳感器的保護(hù)需求。

• 恩智浦eXtreme開(kāi)關(guān)為N通道類(lèi)型，集成保護(hù)與診斷功能，導(dǎo)通電阻低至2~100毫歐，產(chǎn)品組合覆蓋汽車(chē)與工業(yè)應(yīng)用，支持12/24/32V場(chǎng)景，具備SPI、控制和診斷功能，通過(guò)可編程 SPI 實(shí)現(xiàn)靈活設(shè)計(jì)，嵌入式保護(hù)與擴(kuò)展反饋保障穩(wěn)健性。

• 南芯科技推出符合AEC-Q100標(biāo)準(zhǔn)的車(chē)規(guī)級(jí)eFuse SC77010BQ/SC77010Q，工作電壓達(dá) 60V，具備高精度電流檢測(cè)、容性負(fù)載軟啟動(dòng)、Limphome跛行模式及多種保護(hù)診斷功能，現(xiàn)已大規(guī)模送樣，預(yù)計(jì)第三季度量產(chǎn)、明年上半年裝車(chē)。

• 上海類(lèi)比半導(dǎo)體研發(fā)的EF1048Q eFuse專(zhuān)為汽車(chē)一二級(jí)常電配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，集成I2t算法保護(hù)線束與負(fù)載，支持SPI接口對(duì)接主控制器，具備多種保護(hù)診斷功能及冗余監(jiān)控、LIMP HOME功能與純硬件模式，保障配電系統(tǒng)穩(wěn)定。

由USB-C 端口供電的產(chǎn)品（例如智能音箱、便攜式投影儀和高端美容工具）需要符合 USB-C 型電力傳輸 (PD) 協(xié)商標(biāo)準(zhǔn)，并且必須處理寬輸入電壓（5 V 至 20 V）。

電子保險(xiǎn)絲(eFuse) 是這些設(shè)備的最佳選擇。eFuse 在單個(gè)集成電路中集成了多種保護(hù)功能，并具有反向電流阻斷功能，可防止反向電流損壞電路。此外，一些型號(hào)還提供可編程電流限值、短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、欠壓鎖定以及與供電 (PD) 控制器的無(wú)縫集成。圖 5 詳細(xì)展示了一款用于保護(hù) USB-C 端口的電子保險(xiǎn)絲。eFuse 負(fù)責(zé)處理過(guò)流和反向電流保護(hù)，而 PD 控制器則負(fù)責(zé)與主機(jī)協(xié)商供電。

除此之外，智能家居集線器和消費(fèi)物聯(lián)網(wǎng)通常使用微控制器、Wi-Fi/藍(lán)牙模塊和外部閃存。線纜短路、組件故障或 ESD 事件都可能導(dǎo)致這些系統(tǒng)出現(xiàn)故障。對(duì)于低壓數(shù)字電路（3.3V 或 5V），傳統(tǒng)保險(xiǎn)絲的響應(yīng)速度可能不夠快，而 PPTC 保險(xiǎn)絲在略高于保持電流額定值的電流下可能無(wú)法可靠地跳閘。

額定電流為0.5 A 至 3 A 的電子保險(xiǎn)絲 (eFuse) 將敏感 IC 的快速過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、過(guò)溫保護(hù)、浪涌控制和欠壓鎖定控制集成在一個(gè)元件中。eFuse 提供全面的電氣危害防護(hù)，同時(shí)減少元件數(shù)量并節(jié)省電路板空間。

LITTELFUSE此前推出多功能電路保護(hù)器件——電子保險(xiǎn)絲保護(hù)集成電路產(chǎn)品線的最新成員LS05006VPQ33。這款新型電子保險(xiǎn)絲保護(hù)集成電路采用了創(chuàng)新型設(shè)計(jì)，可保護(hù)USB C型端口免受短路、過(guò)壓和靜電放電 (ESD) 的影響。LS05006VPQ33是一款高度集成的保護(hù)集成電路，適用于C型PD Vbus與CC/SBU短路，具有28 Vmax和8 KV IEC -61000-4-2 ESD能力。 該產(chǎn)品非常適合用于各種USB C型應(yīng)用，包括：筆記本電腦、臺(tái)式電腦、顯示器、工業(yè)電腦、銷(xiāo)售點(diǎn)、智能手機(jī)、平板電腦、USB C型PD擴(kuò)展塢等。

總結(jié)

eFuse 已從“簡(jiǎn)單保護(hù)元件”升級(jí)為“多場(chǎng)景智能保護(hù)核心”，未來(lái)隨著汽車(chē)800V高壓平臺(tái)的普及、AI服務(wù)器48V架構(gòu)的升級(jí)、以及智能電網(wǎng)與儲(chǔ)能系統(tǒng)的融合，eFuse的價(jià)值將進(jìn)一步提升。同時(shí)國(guó)產(chǎn)廠商也在車(chē)規(guī)等關(guān)鍵場(chǎng)景加速突破。

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*封面圖由AI生成