采用可靠的汽車電子設(shè)備保護方法
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隨著新特色的引入和對已有特色的改進和提高，汽車系統(tǒng)年復(fù)一年不斷趨向成熟。每一項特色設(shè)備必須獲取電源，受到保護并連接到整個汽車系統(tǒng)內(nèi)各自的接口。直流-直流轉(zhuǎn)換器必不可少，以便將12V 的汽車電池主電源轉(zhuǎn)換為大小不同的電壓，滿足這些特色設(shè)備的工作需要。直流-直流轉(zhuǎn)換器用于向混合動力或電動汽車的大負荷功能提供電源，也用于各類汽車的照明、顯示、資訊娛樂和其他電子設(shè)備的電源供給。獲取電源并工作時，汽車電子設(shè)備將面臨各種瞬態(tài)事件，所以必須經(jīng)受測試，確保符合包括ISO 7637在內(nèi)的各類標準。在保護到位的情況下，電子設(shè)備可以與使用各種標準接口的系統(tǒng)連接，CANbus就是這類接口之一。確保這些接口的系統(tǒng)可靠性很重要，這涉及到電磁兼容性(EMC) 和共模雜訊(CMN) 問題。對系統(tǒng)的保護必須在所有接口都已到位后再次進行檢查，以便確保足夠的隔離和保護。
最后，必須考慮靜電放電(ESD) 因素，因為電子設(shè)備將面臨靜電放電事件，這些事件早已在電路裝配時開始，并將持續(xù)到汽車壽命結(jié)束。通過在直流- 直流轉(zhuǎn)換器設(shè)置電阻器和磁件，針對瞬態(tài)保護采用聚合物正溫度系數(shù)(PPTC) 裝置，將共模軛流圈和片式壓敏電阻器應(yīng)用于電磁兼容性和各接口，以及采用多層片式壓敏變阻器和鉗位裝置解決于靜電放電問題，即可實現(xiàn)有效且可靠的電路保護。本白皮書將描述汽車環(huán)境中各元件的電源、瞬態(tài)和靜電放電要求，還將介紹已經(jīng)找到的有效保護汽車電子設(shè)備的各種技術(shù)和產(chǎn)品系列。
嚴格的汽車系統(tǒng)要求
在包括引擎控制器、安全、底盤控制器、故障診斷、資訊娛樂等等在內(nèi)的眾多系統(tǒng)中，電子設(shè)備正在替代機械耦合。每一件電子分總成(ESA) 經(jīng)由諸如CAN（即控制器局域網(wǎng)）、Flexray（車載網(wǎng)絡(luò)標準）及以太網(wǎng)等一系列網(wǎng)絡(luò)接口連接到系統(tǒng)或者其他電子分總成，因此面臨其他電子分總成造成的干擾或別的可靠性問題。鑒于可能性的大小，表面上看幾乎沒有什么共性，但撇開其功能，所有電子設(shè)備都必須從唯一的汽車電池取得電源，并且必須在汽車的整個生命期內(nèi)經(jīng)受明確的測試、浪涌和性能要求的考驗。在健全的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計的基礎(chǔ)上，電路保護也必不可少，以便確保電子設(shè)備免受外來浪涌、系統(tǒng)內(nèi)其他電子設(shè)備或與人類互動的影響。設(shè)計一個穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)，著手點是了解轉(zhuǎn)換、接口和威脅的有關(guān)要求和規(guī)定。接下來是選擇滿足要求的、符合或者高于汽車系統(tǒng)中每一部件性能和保護標準的元件。
保持電源電壓水平穩(wěn)定
直流- 直流轉(zhuǎn)換器在電子領(lǐng)域用于電壓水平之間的轉(zhuǎn)換以及提供穩(wěn)定且精確的電源。在一輛靠12V 電池運轉(zhuǎn)的車內(nèi)，標稱電壓為14 V。一些資訊娛樂電路需要將電壓降低至5 V或3.3 V。相反，發(fā)光二極管(LED) 燈串需要將電壓提升到60 V，用于混合動力或全電力汽車等的永磁直流電機則具有幾百伏特的更大負載。出于這些轉(zhuǎn)換的需要，供電電路通常將設(shè)有一個金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)、電感器(L)、電阻器(R) 和電容器(C)。一個開關(guān)可以代表該金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管，如圖1 所示。在這個電路中，與金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)電容相結(jié)合的線路寄生電感會干擾電路的正常工作。必須選擇或插入若干元件，以便將該干擾的風(fēng)險最小化，并且維持轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，無論轉(zhuǎn)換器的設(shè)計是提升或是降低向負載供給的電壓。
汽車電子設(shè)備的瞬態(tài)事件保護備受關(guān)注。人們充分認識對汽車電子設(shè)備造成威脅的各類瞬態(tài)浪涌，并且根據(jù)事件的類型通過ISO 7637 標準作出劃分。這些事件可能持續(xù)數(shù)秒，還產(chǎn)生數(shù)百安培的電流。表1 詳列了ISO 7637 測試規(guī)定，表中Ri 指電壓發(fā)生器的內(nèi)部電阻。每一件電子分總成(ESA) 必須以通過ISO 7637 測試的標準進行設(shè)計。設(shè)計者需要通過增設(shè)元件限制浪涌或電壓鉗位的方式滿足必需的保護等級。
以獨立的單元提供足夠的保護是向汽車系統(tǒng)引入電子分總成(ESA) 的起點。一旦通過接口連接到系統(tǒng)，電子分總成有可能促使網(wǎng)絡(luò)電壓升高。例如，連接到控制器局域網(wǎng)總線(CANbus) 的大部分電子分總成將含有一個共模感應(yīng)器，用于限制通訊總線上多余的高頻雜訊，改善收發(fā)設(shè)備對電磁兼容性(EMC) 的免疫力，并且減少電磁干擾。在這些好處的基礎(chǔ)上，共模感應(yīng)器還能在控制器局域網(wǎng)總線(CANbus) 收發(fā)設(shè)備的兩端誘發(fā)高電壓，正如在ISO 7637 測試1 中斷開供電時所見。該電壓因此應(yīng)受到來自諸如汽車變阻器等抑制器的鉗位作用，使電子分總成得到保護，免受過壓條件可能導(dǎo)致的損壞。
所選用的感應(yīng)器的核心、導(dǎo)線和構(gòu)造類型以及電流的大小將影響電子分總成的電磁放射，而放射的水平必須符合汽車制造商指定的原則。有時候，這些原則可能比國際上的EN55022 Class B 規(guī)定更為嚴格，后者規(guī)定的排放水平是0 - 230 MHz 頻率范圍對應(yīng)30dB (mV/m)，230 MHz - 1 GHz 對應(yīng)37 dB (mV/m)。
針對靜電放電事件的保護
最后，汽車電子設(shè)備必須受到保護，免受靜電放電(ESD) 的破壞。在出于資訊娛樂需要而采用通用串行總線(USB) 的同時，靜電放電事件的風(fēng)險增加了。靜電放電脈沖的電流和電壓浪涌所造成的故障分為以下三種：1，由電路或其操作軟件自動更正的臨時錯誤；2，需要操作員介入來恢復(fù)正常操作的臨時錯誤；以及3，需要局部修理或徹底更換的永久損壞。
出于服從瞬態(tài)保護的需要，汽車工業(yè)使用一套熟悉的標準制訂靜電放電保護原則。表2展示針對人體模型(HBM) 的電流- 時間曲線和靜電浪涌。它模擬了操作裝配線時能量通過與人體接觸向人體傳播。在測試方面，浪涌發(fā)生器能再現(xiàn)人體模型曲線，方法是把一個電壓源連接到一個1.5 kΩ 的電阻器和100 pF 的電容器上，如圖2 所示。這些測試將幫助設(shè)計者在設(shè)計時適當考慮電壓抑制，例如采用Bourns. ChipGuard. 的片式壓敏變阻器。
電源中的電阻器
第一件插入電源用于保護的元件是電阻器。如果金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)被接通，電容器兩端的電壓被誘發(fā)：V - V * cos(ωt)，其中
。該正弦波的峰值振幅是電源電壓的兩倍，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管可能因此損壞。增設(shè)一個電阻器R與該晶體管串聯(lián)，以便抑制這些振蕩并保護該晶體管。電阻器的類型選擇取決于轉(zhuǎn)換器的輸出功率。電阻器對某個設(shè)計的適用性可以由多個因素決定。首先，它的平均功耗的計算可以按照方程：Pav = Ppk* D，其中
，Tpulse是浪涌的脈沖長度，而Tperiod是浪涌之間的時間。電阻器和電路板總的熱阻計算公式：Rth = Rth(電阻器)+ Rth(電路板)。電路的溫升計算公式：ΔT = Pav*Rth。最后，電阻器能夠處理的能量焦耳-浪涌時間的圖表。浪涌中的能量計算是將浪涌的峰值功率乘以浪涌持續(xù)時間，再乘以浪涌對矩形脈沖的相對面積。 Bourns的固定電阻器產(chǎn)品組合包括符合AEC-Q200標準的PWR系列各式封裝的功率電阻。這些厚膜無感電阻器與背板之間電絕緣，且其額定功率可高達50 W。Bourns?的PWR163及PWR263型號具有低電感的特性，是理想的高頻應(yīng)用選擇，而且它們非凡的脈沖特性支持電流限制或電容器放電應(yīng)用。Bourns?4816P型號SOIC電阻器網(wǎng)絡(luò)提供隔離、總線、和標準終端等選擇，公差低至0.5 %。
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