自從家附近的道路被劃入自動駕駛公開測試道路之後，每次出去逛個超市，都會偶遇幾輛擦肩而過的Robotaxi；而我正好處于這個行業中，是以時不時在某個傍晚僞裝成小白路人甲，去窺探一下各家Robotaxi的能力。
當看到各家自動駕駛系統宛如一個老司機，在繁忙的紅綠燈前控制車輛有條不紊的左轉，在錐桶遮擋前進道路時指揮車輛從容不迫的變道。那一刻，我覺得自動駕駛離我們不遠了，離我上下班可以在車裡躺着睡覺的夢想不遠了。
但當偶然看到各家Robotaxi後背箱被打開的瞬間，一盆涼水澆了下來。那工作溫度最高隻有55℃的工控機、那傳輸延時不可控的普通以太網、那沒有做過任何DV實驗的自研嵌入式闆子。一切都訴說着一個殘酷的現實：漂亮不能當飯吃，Demo到量産之間還有數不清的系統設計需要優化、道不明的工程能力需要提升。
（圖檔來源：http://tech.sina.com.cn/roll/2018-01-07/doc-ifyqinzs9917833.shtml）
當自動駕駛、智能座艙等變革技術正在将汽車這個保守的小夥子改造成陽光開朗的大男孩時，本文的主角eFuse就是被這場變革成就的“小人物”，承擔起取代傳統“繼電器+保險絲”這對曆史悠久的“黃金搭檔”的重任。其之于智能網聯汽車的意義，就如我之于汽車流水線的意義。
傳統保險絲
一提到保險絲，我可一點沒有好印象。
小時候，家裡總開關還是閘刀開關。夏天，電鍋、電風扇等用電器一起工作的時候，有時我因再開一盞燈，都可能導緻家裡停電。這時母親總是會喊：“娃他爸，快去看看是不是保險絲又斷了。”緊接着我就會收到來自母親的關心：“是不是又是你小子搞的鬼，是不是皮又癢了”。
長大後，我光榮地成為主機廠一名時不時需要與保險絲打交道的零件工程師。依稀記得當時測試零件的靜态電流時，整車已休眠，我也把萬用表調到了mA檔。此時另一位同僚半路殺出，想借我的車進行另一項測試，還沒等我反應過來，該朋友直接打開車門喚醒了車輛，導緻整車電流增大，燒了萬用表中的保險絲。每每此時，我隻能用一頓燒烤來向借我萬用表的同僚暗示“吃人嘴短”。
一、基本原理
車輛上最常用的保險絲類型是如下左圖所示的片式保險絲，花花綠綠的顔色代表了不同的規格。在整車上，它住在右圖所示的大平層配電盒中，與繼電器一起，共同管理着汽車這個私家莊園的供電。
（圖檔來源：https://zhuanlan.zhihu.com/p/56984282（左）和https://www.te.com.cn（右））
在整車線路沒有出現短路時，由歐姆定律可以求出整車工作電流為I=U(R保險絲+R用電器)，其中保險絲的電阻R保險絲是一個相對确定且非常小的值。當整車出現短路時，R用電器急劇減少甚至為0，在電壓U不變情況下，回路中的電流I會趨于無窮大。
根據焦耳定律：電流通過導體産生的熱量跟電流的二次方成正比，跟導體的電阻成正比，跟通電的時間成正比。數學表達式為：Q=I2Rt，其中Q是發熱量，I是流過導體的電流，R是導體的電阻，t是電流流過導體的時間。
是以短路會讓保險絲産生大量的熱量Q，且由于保險絲産生的熱量無法快速的耗散，會使保險絲溫度迅速升高，當溫度到達保險絲熔點以上時保險絲就會發生熔斷。一句話總結就是：當保險絲産生的熱量Q的速度大于保險絲本身的熱量耗散速度時，随着時間的積累，溫度升高，保險絲被熔斷。
是以熔斷特性也成為了保險絲最重要的特性之一，下圖是Littelfuse公司生産的某一款保險絲的熔斷時間試驗資料。從表中可以看到保險絲熔斷時間随電流變化極大，200%額定電流時，最長5s熔斷，而600%額定電流時，最長0.1s熔斷，快了50倍。
二、選型原則
傳統保險絲選型主要從穩态電流和脈沖電流兩個次元考慮。
- 穩态電流次元
所需保險絲額定電流常用計算公式為：If=In/(RR*75%)。式中，If 為保險絲額定電流、In 為用電器額定工作電流、RR 為環境溫度修正系數。
比如車窗電機的額定工作電流是10A，工作溫度主機廠一般要求-40℃~85℃之間，此處我們按照極限工況85℃計算。下圖是Littelfuse一款保險絲的溫度修正系數曲線，在85℃時環境溫度修正系數為91。由公式可以計算出所需保險絲的額定電流If=In/(RR*75%)=10/(91*75%）= 12A。
根據以上的計算結果，查閱産品手冊，可以選擇最接近且大于計算結果的15A保險絲。
（圖檔來源：Littelfuse晶片手冊）
- 脈沖電流次元
在電路系統中，除了穩态電流，最常見還有脈沖電流。脈沖電流的特點是電流大但是持續的時間較短，這種電流往往是在用電器剛啟動的那一瞬間産生。車上大多數用電器在汽車的整個生命周期中往往會經曆數萬次啟動，是以保險絲需要能承受一定大小的脈沖電流。
根據脈沖電流選擇保險絲的方法如下：
（1）假如每次我們打開近光燈時都會産生一個50A持續時間為10ms的脈沖電流，此時焦耳積分值I2t = 50A*50A*0.01S =25A2S；
（2）按照選型值為計算值30%的原則，可求得對選型晶片的I2t值要求為I2t = 25/30% = 83 A2S；
（3）查閱晶片手冊，如下圖所示，在83 A2S附近，我們可以選擇0297010這款型号的産品，并計算得到相對I2t = 25/93 = 27%；
（4）此時我們可以通過相對I2t去查詢保險絲可承受的脈沖次數，如果可承受的脈沖次數符合要求（根據每種用電器的使用頻率，每種用電器的脈沖次數值會不一樣），那該款保險絲可作為預選保險絲，再結合其他參數進行最終的确認。
（圖檔來源：Littelfuse晶片手冊）
以上僅僅是保險絲選型需要考慮的兩個方面，除了這兩個方面還有其他的因素也影響着保險絲的選型，比如浪湧電流等。
相信通過上面的介紹，電器相關的工程師不會再疑惑為什麼《電器調查表》需要填寫那麼多電流相關的資訊，這些資訊除了了解整車的能耗外，還對保險絲以及線束的選型具有很重要的參考意義。
智能eFuse
傳統保險絲的好處顯而易見，便宜到幾毛錢，可靠到在汽車上應用了幾十年，是以通常情況下是找不到理由和動力去革新這顆“小螺絲”的。但誰曾料到，近些年成長起來自動駕駛、軟體定義汽車等變革技術殘忍到連這顆“小螺絲”也不放過。
對于自動駕駛來說，電源故障可能意味着車輛轉向、制動、加速、乘員保護等功能的喪失，而這必将導緻滅頂之災。故自動駕駛對電源系統的功能安全等級要求勢必十分嚴苛，而已有文章分析指出：傳統保險絲無法滿足自動駕駛對功能安全的要求。
同時傳統保險絲作為一個純電氣性質的零件，不具有監控和診斷功能，也就無法做到早發現早治療。而不可程式設計性，導緻功能一旦設計完成，其一輩子也就這樣了，沒有了通過OTA進行逆天改命的機會。這又不符合“軟體定義汽車”理念中車标都要支援FOTA的宗旨。
這個時候，一種叫做電子熔絲（eFuse）的“小人物”出現在人們的視野。同時各大主機廠在樂此不疲、聲勢浩大的競品拆解對标中發現，特斯拉從2017 年量産的Model 3開始，竟摒棄了傳統“繼電器+保險絲”的“黃金搭檔”方案，率先開始了eFuse的應用。
2022年了，我們遺憾的發現，特斯拉還是唯一使用eFuse的主機廠。難怪業内普遍認為：特斯拉的電子電氣架構領先大衆和豐田至少六年。這讓我想起了電影《美人魚》中的一句歌詞：無敵是多麼的寂寞。
一、基本原理
eFuse本質上是一種內建電路，通過在單晶片上內建MOSFET、驅動、檢測電路、邏輯電路、診斷等子產品，提供一種供電電路保護的半導體解決方案。
（圖檔來源：英飛淩晶片手冊）
當eFuse串聯進主供電電路時，其工作方式類似于傳統保險絲，能夠檢測過電流和過電壓情況并對其做出快速反應。發生過載情況時，裝置會将輸出電流限制為使用者定義的安全值。如果異常過載情況持續存在，則裝置将進入打開狀态，進而斷開負載與電源的連接配接。過載電流限制可以通過一個外部電阻器進行程式設計。
下文以英飛淩BTS7002這款eFuse晶片為例，介紹eFuse在整車供電系統上的一個應用執行個體。晶片手冊上給出的一種應用原理圖如下圖所示，藍框為英飛淩eFuse晶片，紅框為MCU晶片。
（圖檔來源：英飛淩晶片手冊）
eFuse晶片各PIN腳定義如下表所示：
eFuse晶片工作真值表如下所示：
通過晶片工作真值表可以看出，結合IN、DEN、Internal Latch的高低電平可确認晶片的真實工作狀态。其中IN、DEN是由MCU進行控制，Internal Latch是晶片内部的狀态。MCU可外接一個ADC的接口擷取IIS的值，該值在不同的狀态會不同；比如說短路、開路等故障下IIS的值會表現的不一樣，與此MCU可通過該值設定不同的錯誤處理邏輯以及上報對應的故障碼。
針對該款晶片，官方給出的功能清單有：（1）适用于驅動阻性、感性和容性負載；（2）可取代繼電器、保險絲和分立電路；（3）适用于驅動加熱的負載、直流電機和整車配電。可提供的保護功能有：（1）高溫保護；（2）過流保護；（3）過壓保護；（4）低壓保護。可提供的診斷功能有：（1）負載電流檢測；（2）開路電流檢測；（3）短電源和短地檢測。
二、eFuse的優點
（1）節省空間。eFuse通過內建在PCB闆上，相比于現在至少需要單獨兩個配電盒（前艙和乘員艙各一個），可以節省不少空間，對本就捉襟見肘的車内布置空間來說是一大福音。
（2）相比傳統保險絲通過不可逆的自毀方式保護整車的用電線路，eFuse具備自恢複的能力。這也就意味着eFuse因過壓、過流、低壓等電路異常損壞的機率極小，不考慮晶片本身的故障，eFuse幾乎可以用到車輛報廢。是以從這個次元來看，eFuse還能側面減少整車生命周期的維修成本，提供更好的使用者體驗。
（3）提高功能安全。高等級自動駕駛對關鍵供電線路的功能安全等級要求一般為最高的ASIL D。采用傳統“黃金搭檔”方案很難達到此要求或者需要付出極大的代價，而讓一顆半導體晶片達到ASIL D，這是晶片巨頭的強項。
（4）診斷功能。通過對每一條供電線路進行檢測和診斷，可以提早發現故障，減少重大故障發生的幾率。
（5）線上更新。通過線上更新可以靈活調整功能邏輯、及時修複BUG。
三、eFuse的劣勢
（1）單個eFuse的成本高。十幾塊的eFuse相比幾毛錢的保險絲，誰用誰敗家。但是萊特定律告訴我們：産量每累計增加一倍，成本價格就會下降15％。現在是缺點，産量達到一定規模就是優點。
（2）更換成本高。一旦壞掉（雖然硬體失效的機率極小，但不排除百萬分之一壞的可能），需要連着整個控制器都一起換，更換一個控制器的成本是一個保險絲的幾百上千倍。
寫在最後
前段時間聽到比亞迪在日本準備開4S店的消息，異常興奮。傳統燃油車時代，我們沒能用市場換來技術，換來的是國民的集體吐槽。電動車時代，我們押對了賽道，在三電技術上小有成就。進入到智能化時代，我們又在急速狂飙、引領風騷。
電動化+智能化成就了eFuse這樣的零部件“小人物”，也将成就你我這樣從事這個行業的“小螺絲”，更将成就中華民族期盼已久的汽車強國之夢。
參考資料：
車用保險絲的選擇
https://zhuanlan.zhihu.com/p/514296128
eFuse（電子熔絲）增強汽車系統的可靠性
https://mp.weixin.qq.com/s/sxISiSwDpA5hfV0D12XFjQ
特斯拉為什麼要“幹掉”保險絲和繼電器？
https://mp.weixin.qq.com/s/24WvCMvohuBVJvQZGt6ZMw