新一代汽車的電子系統(tǒng)保護(hù)方案

提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少二氧化碳排放的全球化行動向汽車行業(yè)提出了巨大的挑戰(zhàn)，減輕汽車重量是目前制造商采取的最常見策略之一。由于電動汽車(EV)和混合動力汽車(HEV)也可用于解決全球的能源與碳排放危機(jī)，汽車制造商和電池制造商正在迅速開發(fā)新的材料和解決方案以推進(jìn)這些技術(shù)的發(fā)展。

聯(lián)網(wǎng)生活方式也已經(jīng)滲透到汽車中，并已極大地影響新的汽車設(shè)計(jì)。消費(fèi)者需求和競爭壓力迫使汽車制造商在汽車上增加了越來越多的功能和特性，這些功能和特性進(jìn)而影響到汽車的電子/電氣架構(gòu)和所用的元器件。

更環(huán)保、更輕的設(shè)計(jì)

對今天的汽車工程師來說，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少溫室氣體(GHG)排放已經(jīng)成為重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。顯而易見，電動汽車和混合動力汽車是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的解決方案，但減輕汽車重量的技術(shù)也能提供一些明顯的好處，因?yàn)闇p輕汽車重量和滾動阻力可以降低對能源的需求，并有效地減少二氧化碳排放。

除了提高元器件集成度和使用先進(jìn)材料有助于汽車制造商減輕汽車重量之外，線束重量也是一個讓人特別感興趣的領(lǐng)域，并已經(jīng)吸引設(shè)計(jì)工程師重新審視他們的設(shè)計(jì)方案，以防止汽車電源功能因大電流故障情況而受損。

設(shè)計(jì)工程師面臨的一個挑戰(zhàn)是保留和/或增加電路保護(hù)器件，它們有助于保護(hù)汽車電子系統(tǒng)因可能的過載情況而受損，同時降低總體成本和重量。由于一輛汽車通?？赡馨瑪?shù)百個電路和超過一公里的導(dǎo)線，布線系統(tǒng)的復(fù)雜性可能使得傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，并可能導(dǎo)致不必要的過度設(shè)計(jì)。

圖1：典型的集中式架構(gòu)。

許多制造商已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將分布式架構(gòu)和可復(fù)位聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)過流保護(hù)器件結(jié)合使用可以顯著減輕汽車重量。圖1和圖2顯示了傳統(tǒng)集中式架構(gòu)和分布式架構(gòu)之間的差異。集中式方案要求每個模塊由接線盒中一個獨(dú)立的熔絲保護(hù)，見圖中黃 色部分。在這種“星形”架構(gòu)中，每個功能也要求獨(dú)立的導(dǎo)線，因而增加了重量和成本。相反，在由電源總線供電多個接線盒的分布式架構(gòu)中，從接線盒出來的每根導(dǎo)線都可以得到一個可復(fù)位電路保護(hù)器件的保護(hù)。

圖2：典型的分布式架構(gòu)。

過去，機(jī)械強(qiáng)度規(guī)定汽車中使用的最細(xì)導(dǎo)線直徑為0.35平方毫米(22 AWG)，它能承載的電流范圍從8A至10A。這個限制在一定程度上抵消了低電流信號電路(如8A以下)中使用PPTC器件帶來的好處。不過，目前的導(dǎo)線材料技術(shù)可以在給定載流能力下支持更小直徑的導(dǎo)線，包括直徑0.13平方毫米(26 AWB)、最大電流為5A的導(dǎo)線。當(dāng)使用分布式架構(gòu)和PPTC過流保護(hù)時，這種先進(jìn)技術(shù)可以減輕更多的重量。

可替代的電源系統(tǒng)

雖然電動汽車完全成為主流還需要一定的時間，但一些制造商深信面向大眾市場的零排放汽車時代已經(jīng)來臨。當(dāng)談到針對未來交通開發(fā)的技術(shù)時，電動汽車和電池產(chǎn)業(yè)毫無疑問是焦點(diǎn)所在，當(dāng)前研發(fā)工作重點(diǎn)放在提高電池存儲容量和加快電池充電時間。通過與汽車和電池制造商的合作，TE Connectivity公司目前正在為這一新興市場領(lǐng)域開發(fā)新的技術(shù)和解決方案。

圖3顯示了PPTC技術(shù)如何應(yīng)用于混合動力汽車和電動汽車電池模塊中的過溫檢測。該例使用了一個熱敏傳感器陣列來監(jiān)視單節(jié)電池故障。由于給PPTC器件加熱會使器件電阻迅速非線性上升，因此這種解決方案可以實(shí)現(xiàn)快速、精確的電池溫度感測。如圖所示，一節(jié)發(fā)熱的電池由于迅速上升到指定檢測溫度而被“標(biāo)記”了出來。

圖3：用于混合動力汽車和電動汽車電池模塊的熱指示陣列。在本例中，紅色電池溫度超過了指定閾值，PPTC器件進(jìn)入高阻狀態(tài)。

功率電子應(yīng)用在興起

越來越多的傳統(tǒng)機(jī)械功能正在升級到電子應(yīng)用，如電動助力轉(zhuǎn)向和電子停車系統(tǒng)。這些大功率、高溫度應(yīng)用對功率電子系統(tǒng)提出了更高的要求，當(dāng)powerFET、電容、電阻或IC等功率器件由于長期暴露在苛刻環(huán)境下而發(fā)生故障時，有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的熱問題。

提高功率器件性能、使用散熱更均勻的設(shè)計(jì)技術(shù)、采用新的散熱材料是目前已經(jīng)提出的用于增強(qiáng)熱管理性能的一些解決方案。不過，設(shè)計(jì)工程師仍在很大程度上依賴二級保護(hù)來阻止因功率器件故障或腐蝕導(dǎo)致過熱而產(chǎn)生的熱失控。

最常用的方法是使用熱熔絲/熱切斷(TCO)或熱開關(guān)。這些器件都能向設(shè)計(jì)工程師提供交流和直流應(yīng)用中寬泛和特定的溫度激活特性，但在電路板組裝過程中存在一些問題。因?yàn)樵絹碓蕉嗟腜CB只使用表面貼裝器件(SMD)，而使用通孔器件需要專門的安裝過程，進(jìn)而帶來額外的成本和復(fù)雜性。此外，標(biāo)準(zhǔn)器件可能無法提供汽車應(yīng)用所需的耐用性和可靠性。而能夠用于汽車環(huán)境的器件經(jīng)過了完整的測試，以滿足嚴(yán)格的沖擊和振動規(guī)范要求，并提供合適的直流額定值。

泰科電子最近推出了一款適用于汽車應(yīng)用的回流熱保護(hù)(RTP)器件，這是一種可以切斷電流的二級保護(hù)器件，有助于防止因功率器件故障和PCB走線過熱而出現(xiàn)的損害。這種解決方案通常消除了對厚重散熱器、冗余FET和繼電器的需求。而這些需求廣泛地存在于電子控制單元、HVAC、ABS、電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、DC/DC轉(zhuǎn)換器和PTC加熱器中。

如圖4所示，當(dāng)RTP器件靠近powerFET安裝時，它能夠追蹤FET溫度。當(dāng)FET超過正常工作溫度極限并出現(xiàn)過溫情況時，RTP器件將激活，并斷開電源線路。

圖4：在緩慢的熱失控情況下，RTP200器件會追蹤powerFET溫度，當(dāng)溫度達(dá)到200℃時，它就會斷開電路。

使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的貼片和無鉛回流焊設(shè)備可以快速方便地安裝這種表面貼裝器件，并且這種器件可以承受峰值溫度遠(yuǎn)超過200℃的多次回流焊工藝。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)檢測到溫度超過200℃時，它就會切斷電流。

為了在經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)回流焊安裝后還能在現(xiàn)場200℃溫度時打開，RTP器件使用一次性電子激活工藝獲得熱敏特征。在實(shí)施激活程序之前，器件可以承受至少3次無鉛回流焊而不打開。激活程序可以在系統(tǒng)加電時自動實(shí)施，也可以在制造后期的線路系統(tǒng)測試期間實(shí)施。

汽車聯(lián)網(wǎng)

在“信息娛樂高速公路”的大方向下，兩大清晰的趨勢正在快速改變汽車設(shè)計(jì)的面貌：車載娛樂和無線連接。汽車制造商以及移動設(shè)備制造商敏銳地意識到消費(fèi)者越來越高的要求：以家庭或辦公室中使用的同樣方法連接汽車內(nèi)的數(shù)字設(shè)備。

今天的汽車已經(jīng)變成了移動網(wǎng)絡(luò)，集成各種特性和功能，包括嵌入式控制、移動媒體和無線選項(xiàng)。信息娛樂、遠(yuǎn)程信息處理、安全和電子控制等應(yīng)用要求使用多種成熟的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，如LIN、CAN、MOST、IDB-1394、FlexRay、byteflight、用于嵌入式控制的藍(lán)牙等等。

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)為能夠與汽車及其系統(tǒng)交互的移動電子設(shè)備創(chuàng)建了新的市場機(jī)會，如蜂窩電話、MP3播放器和導(dǎo)航設(shè)備。保護(hù)通信接口免受靜電放電(ESD)以及由天線和儀器的無線(RF)接口引起的其它電壓浪涌損害是一個關(guān)鍵的設(shè)計(jì)問題。

圖5顯示了聚合物增強(qiáng)型齊納二極管(PolyZen器件)如何保護(hù)藍(lán)牙模塊的電源輸入端口。該器件提供集成式過流和過壓電路保護(hù)功能，還使用了小電容聚合物ESD(PESD)器件，用于防止天線受到ESD浪涌而損壞。

圖5：針對藍(lán)牙模塊的典型電路保護(hù)解決方案。

發(fā)展前景

汽車設(shè)計(jì)中越來越多的功率器件和高數(shù)據(jù)速率連接使得人們更加迫切地需要可靠、具有成本效益的電路保護(hù)解決方案。TE Connectivity公司的研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)正在與汽車制造商、集成商和OEM廠商合作開發(fā)所需的元器件，從而推進(jìn)各種新技術(shù)、支持新興應(yīng)用，并幫助汽車制造商滿足苛刻的安全標(biāo)準(zhǔn)。