對車載電子系統(tǒng)電路保護(hù)的考量

　　新型車載信息娛樂系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)能提供更多的內(nèi)容，讓你體驗到更高質(zhì)量的音頻和視頻節(jié)目，并且改善了個人通信裝置的連接性能。為了適應(yīng)很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足當(dāng)前通信的要求，要對這種設(shè)備進(jìn)行保護(hù)，避免因為顧客誤用、危險性的環(huán)境和電源波動而造成損壞。

　　在信息娛樂系統(tǒng)中廣泛使用了自復(fù)PPTC(聚合物正溫度系數(shù))器件，用它們保護(hù)精密的電子元件及周邊設(shè)備。在自復(fù)功能不可取或不實際的應(yīng)用系統(tǒng)中，通常使用片式表面貼裝熔斷器。

　　信息娛樂設(shè)備也容易因為過高的瞬變電壓而損壞，其中包括它所在的工作環(huán)境及周邊設(shè)備產(chǎn)生的靜電放電(ESD)脈沖。通常使用ESD保護(hù)器件、金屬氧化物變阻器(MOV)和齊納二極管來保護(hù)汽車電子設(shè)備，例如天線、背光加熱器、電池、按鍵、電路板上的印制線、CD/DVD播放器，數(shù)據(jù)線端口、硬盤驅(qū)動器以及輸入/輸出端口和觸摸屏。

　　對于汽車電路保護(hù)器件在設(shè)計上的考慮

　　● PPTC過流/過熱保護(hù)

　　廣為流行的PPTC器件具有自復(fù)功能，可以把它裝在汽車中便于接近的位置。它有很多種不同電氣性能和尺寸的產(chǎn)品，便于實現(xiàn)各種精確的保護(hù)設(shè)計方案。而在選擇PPTC器件時，主要考慮的問題是，器件的保持電流額定值要和設(shè)備在正常工作時的初級電流匹配。

　　圖1 各種電路保護(hù)器件

　　● ESD保護(hù)器件

　　高速輸入/輸出端口要求使用電容小的ESD保護(hù)器件，盡量保持信號質(zhì)量不會下降。選用的器件應(yīng)當(dāng)適合高速數(shù)據(jù)傳輸線路和無線電頻率數(shù)據(jù)線路，能夠經(jīng)受無數(shù)次的ESD瞬變電壓。要符合RoHS 和IEC61000-4-2的要求，電容要小、觸發(fā)電壓要低、響應(yīng)時間要短，這些也是ESD保護(hù)器件的重要特性。

　　圖2　PolyZen器件結(jié)構(gòu)

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　　● 表面貼裝熔斷器

　　電流大、尺寸小的表面貼裝熔斷器有熔斷快和慢的兩種產(chǎn)品，它們的熔斷特性都應(yīng)當(dāng)干凈利落，整個熔斷過程在封裝里面進(jìn)行。它們抑制電弧的特性應(yīng)當(dāng)良好，并且能夠承受沖擊和振動。

　　● 金屬氧化物變阻器

　　金屬氧化物變阻器(MOV)有各種直徑和電壓范圍的產(chǎn)品。MOV器件可以流過很大的電流，能夠吸收很大的能量，從而實現(xiàn)過壓保護(hù)。在選擇MOV時，主要根據(jù)鉗位電壓電平(受抑制的電壓額定值)和響應(yīng)時間。

　　直流電源端口的保護(hù)

　　汽車電源總線很“臟”，這是大家都知道的。汽車電源的額定值是12V，但是在正常工作時，會在8～16V的范圍內(nèi)變化。還有，電池的電流會超過100A，而且會因為繼電器動作或者熔斷器熔斷而中斷，因而在電源總線上產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓尖脈沖，電壓會增大5倍以上。

　　圖3 熔斷器和PolySwitch器件AGR500的性能比較

　　汽車電源在運作過程中，會因為電池接錯或者在雙電池啟動時接到電壓高一倍(24V)的電池上而造成損壞。有一種情況稱作“拋負(fù)載”，它可能會在電源總線上產(chǎn)生很高的電壓。典型的第三方電源轉(zhuǎn)換器會把它濾掉一些，但是泰科電子公司的測試表明，這些電源轉(zhuǎn)換器抑制瞬變電壓的能力變化很大。通常 USB接口充電的裝置一般不是針對這種類型的電壓波動而設(shè)計的，因而需要過壓保護(hù)。

　　圖4 熔斷器和PolySwitch器件ASMD150的性能比較

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　　在車內(nèi)充電的便攜設(shè)備對過流和過壓保護(hù)的需求越來越大，很多公司為此推出了新器件，泰科電子的新型PolyZen器件就是其一。這種器件與類似于齊納二極管的保護(hù)器件一起使用時，具有協(xié)同保護(hù)的作用，能夠承受功率非常高的故障情況。

　　如圖2所示，微型PolyZen器件中包含一個穩(wěn)定的齊納二極管和一層非線性的電阻性PPTC層。齊納二極管能夠精密地對電壓進(jìn)行鉗位，而電阻性的PPTC層會對二極管的發(fā)熱或者過電流事件作出響應(yīng)，從低電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變到高電阻狀態(tài)。

　　對于電感性電壓尖脈沖的鉗位和平滑，PolyZen器件特別有效。在出現(xiàn)電感性尖脈沖時，齊納二極管把電流旁路到地，直到電壓降低到正常的工作范圍。在供電電壓出錯的情況下，PolyZen器件對電壓進(jìn)行鉗位，把過大的電流旁路到地，防止電源的錯誤造成影響。PolyZen器件的電壓與電流響應(yīng)特性比較平坦，有利于對輸出電壓進(jìn)行鉗位，即使輸入電壓和電源電流同時變化的情況下也能做到這點。

　　因為在汽車應(yīng)用系統(tǒng)中電流有可能會很大，要很小心謹(jǐn)慎，保證有妥善的保護(hù)。對于選用的器件，要檢查它的IFLT最大值和Vout峰值，確保器件能夠提供所需要的保護(hù)能力。

　　保護(hù)電子模塊的PCB板

　　市場要求更多的電子器和更多的內(nèi)部空間，面對這個要求，汽車制造商把更多電路裝到更小的封裝里面。為了用更小和更密集的印刷電路板面積提供越來越多的功能和連接線，必須減少電路板上的印制線寬度。

　　這些控制模塊是個“黑盒子”，現(xiàn)在用來控制越來越多的大功率配件，例如電動車窗、電動座椅、 遙控車門鎖，以及無線電收音機(jī)和GPS天線。因為這些配件的電源是由電流很大的電路提供的，而印刷電路板上印刷線很細(xì)，又要流過很大的電流，燒壞的可能性增大了。

　　印刷電路板上的印制線起的作用是把電流從一個地方送到另一個地方。一般使用自復(fù)PPTC器件來保護(hù)電路板上這些細(xì)小的印刷線，因為這類器件能夠迅速而有效地把電流限制在安全的數(shù)值上，同時尺寸又很小，可以直接裝到電路板上。利用這項技術(shù)，模塊中的每一個單獨電源電路都可以用一個PPTC器件來保護(hù)，把電流限制在一個安全的數(shù)值上，不會將它燒斷。

　　在圖3和圖4中對熔斷器和PolySwitch器件作了比較。這里我們假定，電路板設(shè)計人員把印制線的最高溫度規(guī)定在100℃。因此，隨著印刷線的溫度接近100℃，它上面可以流過的電流越來越小。

　　圖3所示是一個35μm、2.5mm的印刷線，用了一個插裝PolySwitchTM器件AGR500來保護(hù)。在圖3中，印制線的寬度減少到0.5mm，用一個PolySwitch系列表面貼裝器件ASMD150來保護(hù)它。

　　PPTC電路保護(hù)器件得到廣泛的采用，作為一種實用的、經(jīng)濟(jì)有效的解決辦法，在電子模塊中用作過流 和/或過熱保護(hù)。在GPS、DVD或者收音機(jī)和汽車通信信息系統(tǒng)(telematics)的電路板中，常常用這種器件來限制電流。

　　結(jié)語

　　利用過電流、過電壓和ESD協(xié)同保護(hù)，可以減少元件數(shù)量，提高電子元器件和網(wǎng)絡(luò)的效率和可靠性。