汽車安全很關(guān)鍵，設(shè)計要從小處著眼

不論在引擎蓋下還是在駕駛室中，如今的先進芯片組對汽車固有惡劣環(huán)境中常見的電氣危險格外敏感。為了保護汽車電子設(shè)備免受破壞性影響，工程師們必須高度重視電氣 瞬態(tài)(如拋負載)的主要來源——交流發(fā)電機。安全是汽車設(shè)計的首要考慮。對消費者來說，汽車是 一筆不菲的投入，所以必須保護好它們。最重要的是，汽 車出現(xiàn)安全問題，人便命懸一線。正因為如此，汽車廠家不惜采用氣囊、穩(wěn)定控制和胎壓監(jiān)測等各種安全技術(shù)。但設(shè)計的安全性遠遠勝過這些外在保護系統(tǒng)。對于汽車電子設(shè)備來 說，不論大小，安全都是設(shè)計考量的核心。

圖1 實施拋負載保護的電路

圖2 壓敏電阻為直流電壓較低的汽車應(yīng)用提供了高浪涌電流電路保

新型乘用車裝備的電子設(shè)備越來越多。而我們?nèi)匀惶?在汽車設(shè)計巨大轉(zhuǎn)變的起點：車載信息娛樂系統(tǒng)和車聯(lián)網(wǎng)的 出現(xiàn)將在未來五年使得汽車上采用的微處理器數(shù)量翻番。這 自然會導(dǎo)致對電子設(shè)備保護方案需求的增大，尤其是在汽車 那樣的惡劣環(huán)境中。各種汽車電子設(shè)備，從內(nèi)置顯示到最新 的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，都容易成為各種險情的攻擊對象，如開關(guān)負載 或瞬態(tài)電壓浪涌、靜電放電和產(chǎn)生極端高壓的其他事件。
現(xiàn)代汽車設(shè)計中，所有車載電子設(shè)備都要連接電池和 交流發(fā)電機。交流發(fā)電機是電氣瞬態(tài)的主要來源，其中最 糟的是拋負載。這種情況發(fā)生在電池已經(jīng)斷開而交流發(fā)電機 正在發(fā)電、其他負載還在交流發(fā)電機環(huán)路上時。如果置之不 理，電氣尖峰和瞬態(tài)將沿著電線傳遞，導(dǎo)致個別電子設(shè)備和 傳感器故障，或永久損壞汽車的電子系統(tǒng)。當(dāng)然，拋負載失控還會威脅車輛本身的安全性和可靠性。

1 如何設(shè)計完善的拋負載保護
電路保護器件，包括瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管和壓敏 電阻，都是對敏感電子設(shè)備提供拋負載保護的有效手段。選 擇TVS二極管不僅因為它們是響應(yīng)時間快(鉗位電壓低)、漏 電電流小的硅雪崩器件，還因為它們沒有固有磨損系數(shù)。變阻器一般作為瞬態(tài)浪涌保護的前線方案使用。實例包括保護小型電子設(shè)備的超小型表面貼裝多層壓敏電阻(MLV)器件和 保護小型機械設(shè)備、電源和組件的傳統(tǒng)金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)。
大多數(shù)現(xiàn)代交流發(fā)電機中，通過在擾動源上添加限流 TVS二極管抑制或鉗制拋負載幅度。瞬態(tài)擾動應(yīng)該內(nèi)部抑制 或在擾動源端子上用抑制器件(TVS二極管)抑制。作為一種 最佳實踐，設(shè)計人員應(yīng)該將TVS二極管盡可能靠近擾動源。 圖1為實施拋負載保護的電路，標(biāo)明了TVS二極管的設(shè)計位 置。

2 二極管要通過AEC-Q101認(rèn)證
汽車電子委員會(AEC)組件技術(shù)小組和其他監(jiān)管組織制 訂了嚴(yán)格的指導(dǎo)方針，廠家在設(shè)計、生產(chǎn)和測試整車及組件 時必須遵循這些方針。汽車行業(yè)使用的保護器件必須對瞬態(tài) 環(huán)境足夠魯棒，還能鉗位到足以保護集成電路的較低(電壓)

圖3 MOV對汽車子系統(tǒng)供交流發(fā)電機瞬態(tài)保護

水平。選擇針對汽車應(yīng)用的TVS二極管時，工程師應(yīng)查找通 過AEC-Q101認(rèn)證的產(chǎn)品，該產(chǎn)品適合高可靠性應(yīng)用并具有 適合汽車應(yīng)用的峰值脈沖功率耗散額定值。應(yīng)考慮用具有 高峰值脈沖功率耗散額定值(如5,000W (10/1000µs)或2,200W (10ms x 150ms))的TVS二極管為敏感電子系統(tǒng)提供甩負荷和 其他浪涌事件引起的瞬態(tài)電壓保護。選擇通過AEC-Q101認(rèn) 證的產(chǎn)品將保證它們兼容很多高溫汽車應(yīng)用。

交流發(fā)電機瞬態(tài)電路保護可以使用金屬氧化物壓敏電 阻(MOV)。為敏感電子設(shè)備提供拋負載電壓瞬態(tài)保護，所 選MOV要具有高達5KA(8/20μs脈沖)的峰值浪涌電流額定 值以及可靠的能量吸收能力。工程師應(yīng)選擇符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) AEC-Q200 (表10)和ISO 7637-2的MOV，保證它們適應(yīng)惡劣 的汽車環(huán)境。

3 壓敏電阻可以在不同情況下應(yīng)用
壓敏電阻為直流電壓較低的汽車應(yīng)用提供了高浪涌電 流電路保護，不論這些應(yīng)用在汽車的乘客艙內(nèi)還是在引擎蓋 下。比如，MOV可以以Y形或三角形配置與交流發(fā)電機的繞
組線圈連接，以鉗制瞬態(tài)電壓。

圖4 MOV和TVS二極管能吸收觸點電弧和繼電器線圈產(chǎn)生的能量

也可以用MOV對汽車子系統(tǒng)(如氣囊、傳動系和氣候控 制)提供交流發(fā)電機瞬態(tài)保護。也可以作為瞬態(tài)浪涌的分流 電阻使用，避免直流電源線受浪涌影響(見圖3)。

開關(guān)繼電器和線圈也能產(chǎn)生瞬態(tài)電壓。繼電器開關(guān)操 作時，觸點處產(chǎn)生電弧，而線圈可能在磁場快速消失時釋放 巨大的瞬態(tài)能量。這些事件可能損壞集成電路和其他敏感電 子設(shè)備。MOV和TVS二極管能吸收觸點電弧和繼電器線圈 產(chǎn)生的這種能量 (見圖4)。

4 結(jié)論：為什么必須符合這些標(biāo)準(zhǔn)

汽車電子設(shè)備越來越多，工程師需要設(shè)計出能在惡劣 環(huán)境下保證其使用壽命的正確解決方案。由于車載電子設(shè)備 都與電池和交流發(fā)電機相連，所有電子設(shè)備的保護將從這里 開始。TVS二極管和變阻器可根據(jù)不同情況使用，保護車上 昂貴的電子設(shè)備。車輛檢測時，國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立了較高的安全 門檻。因此，保護器件的正確選擇必須達到甚至超過汽車行 業(yè)制訂的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。