采用可靠的汽車電子設(shè)備保護(hù)方法
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隨著新特色的引入和對(duì)已有特色的改進(jìn)和提高，汽車系統(tǒng)年復(fù)一年不斷趨向成熟。每一項(xiàng)特色設(shè)備必須獲取電源，受到保護(hù)并連接到整個(gè)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(dòng)力或電動(dòng)汽車的大負(fù)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(shí)，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(cè)試，確保符合包括ISO 7637在內(nèi)的各類標(biāo)準(zhǔn)。在保護(hù)到位的情況下，電子設(shè)備可以與使用各種標(biāo)準(zhǔn)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(duì)系統(tǒng)的保護(hù)必須在所有接口都已到位后再次進(jìn)行檢查，以便確保足夠的隔離和保護(hù)。
最后，必須考慮靜電放電(ESD) 因素，因?yàn)殡娮釉O(shè)備將面臨靜電放電事件，這些事件早已在電路裝配時(shí)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(duì)瞬態(tài)保護(hù)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(shí)現(xiàn)有效且可靠的電路保護(hù)。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(hù)汽車電子設(shè)備的各種技術(shù)和產(chǎn)品系列。
嚴(yán)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)）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(gè)生命期內(nèi)經(jīng)受明確的測(cè)試、浪涌和性能要求的考驗(yàn)。在健全的電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，電路保護(hù)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(dòng)的影響。設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)，著手點(diǎn)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(hù)標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)轉(zhuǎn)的車內(nèi)，標(biāo)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(dòng)力或全電力汽車等的永磁直流電機(jī)則具有幾百伏特的更大負(fù)載。出于這些轉(zhuǎn)換的需要，供電電路通常將設(shè)有一個(gè)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、電感器(L)、電阻器(R) 和電容器(C)。一個(gè)開關(guān)可以代表該金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管，如圖1 所示。在這個(gè)電路中，與金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)電容相結(jié)合的線路寄生電感會(huì)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(xiǎn)最小化，并且維持轉(zhuǎn)換器和系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，無論轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)是提升或是降低向負(fù)載供給的電壓。
汽車電子設(shè)備的瞬態(tài)事件保護(hù)備受關(guān)注。人們充分認(rèn)識(shí)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)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(cè)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(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(hù)等級(jí)。
以獨(dú)立的單元提供足夠的保護(hù)是向汽車系統(tǒng)引入電子分總成(ESA) 的起點(diǎn)。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(gè)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(duì)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(cè)試1 中斷開供電時(shí)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(hù)，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(shí)候，這些原則可能比國(guó)際上的EN55022 Class B 規(guī)定更為嚴(yán)格，后者規(guī)定的排放水平是0 - 230 MHz 頻率范圍對(duì)應(yīng)30dB (mV/m)，230 MHz - 1 GHz 對(duì)應(yīng)37 dB (mV/m)。
針對(duì)靜電放電事件的保護(hù)
最后，汽車電子設(shè)備必須受到保護(hù)，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(shí)，靜電放電事件的風(fēng)險(xiǎn)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(dòng)更正的臨時(shí)錯(cuò)誤；2，需要操作員介入來恢復(fù)正常操作的臨時(shí)錯(cuò)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(hù)的需要，汽車工業(yè)使用一套熟悉的標(biāo)準(zhǔn)制訂靜電放電保護(hù)原則。表2展示針對(duì)人體模型(HBM) 的電流- 時(shí)間曲線和靜電浪涌。它模擬了操作裝配線時(shí)能量通過與人體接觸向人體傳播。在測(cè)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(gè)電壓源連接到一個(gè)1.5 kΩ 的電阻器和100 pF 的電容器上，如圖2 所示。這些測(cè)試將幫助設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)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(hù)的元件是電阻器。如果金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)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(chǎng)效應(yīng)晶體管可能因此損壞。增設(shè)一個(gè)電阻器R與該晶體管串聯(lián)，以便抑制這些振蕩并保護(hù)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(duì)某個(gè)設(shè)計(jì)的適用性可以由多個(gè)因素決定。首先，它的平均功耗的計(jì)算可以按照方程：Pav = Ppk* D，其中
，Tpulse是浪涌的脈沖長(zhǎng)度，而Tperiod是浪涌之間的時(shí)間。電阻器和電路板總的熱阻計(jì)算公式：Rth = Rth(電阻器)+ Rth(電路板)。電路的溫升計(jì)算公式：ΔT = Pav*Rth。最后，電阻器能夠處理的能量焦耳-浪涌時(shí)間的圖表。浪涌中的能量計(jì)算是將浪涌的峰值功率乘以浪涌持續(xù)時(shí)間，再乘以浪涌對(duì)矩形脈沖的相對(duì)面積。 Bourns的固定電阻器產(chǎn)品組合包括符合AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)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(dá)50 W。Bourns?的PWR163及PWR263型號(hào)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(hào)SOIC電阻器網(wǎng)絡(luò)提供隔離、總線、和標(biāo)準(zhǔn)終端等選擇，公差低至0.5 %。
評(píng)論