【導(dǎo)讀】不論在引擎蓋下還是在駕駛室中，如今的先進(jìn)芯片組對汽車固有惡劣環(huán)境中常見的電氣危險(xiǎn)格外敏感。為了保護(hù)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)的主要來源——交流發(fā)電機(jī)。安全是汽車設(shè)計(jì)的首要考慮。
對消費(fèi)者來說，汽車是一筆不菲的投入，所以必須保護(hù)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?yàn)槿绱?，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(jì)的安全性遠(yuǎn)遠(yuǎn)勝過這些外在保護(hù)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(jì)考量的核心。
圖1.實(shí)施拋負(fù)載保護(hù)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)匀惶幵谄囋O(shè)計(jì)巨大轉(zhuǎn)變的起點(diǎn)：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(hù)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(xiǎn)情的攻擊對象，如開關(guān)負(fù)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(jì)中，所有車載電子設(shè)備都要連接電池和交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)是電氣瞬態(tài)的主要來源，其中最 糟的是拋負(fù)載。這種情況發(fā)生在電池已經(jīng)斷開而交流發(fā)電機(jī)正在發(fā)電、其他負(fù)載還在交流發(fā)電機(jī)環(huán)路上時(shí)。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(gè)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(fù)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(jì)完善的拋負(fù)載保護(hù)
電路保護(hù)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(fù)載保護(hù)的有效手段。選擇TVS二極管不僅因?yàn)樗鼈兪琼憫?yīng)時(shí)間快(鉗位電壓低)、漏電電流小的硅雪崩器件，還因?yàn)樗鼈儧]有固有磨損系數(shù)。變阻器一般作為瞬態(tài)浪涌保護(hù)的前線方案使用。實(shí)例包括保護(hù)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(hù)小型機(jī)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(jī)中，通過在擾動源上添加限流TVS二極管抑制或鉗制拋負(fù)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(shí)踐，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該將TVS二極管盡可能靠近擾動源。圖1為實(shí)施拋負(fù)載保護(hù)的電路，標(biāo)明了TVS二極管的設(shè)計(jì)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(jì)、生產(chǎn)和測試整車及組件時(shí)必須遵循這些方針。汽車行業(yè)使用的保護(hù)器件必須對瞬態(tài)環(huán)境足夠魯棒，還能鉗位到足以保護(hù)集成電路的較低(電壓)水平。選擇針對汽車應(yīng)用的TVS二極管時(shí)，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(fù)荷和其他浪涌事件引起的瞬態(tài)電壓保護(hù)。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。
圖3.MOV對汽車子系統(tǒng)供交流發(fā)電機(jī)瞬態(tài)保護(hù)
交流發(fā)電機(jī)瞬態(tài)電路保護(hù)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(fù)載電壓瞬態(tài)保護(hù)，所 選MOV要具有高達(dá)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(hù)，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(jī)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(diǎn)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(jī)瞬態(tài)保護(hù)。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(shí)，觸點(diǎn)處產(chǎn)生電弧，而線圈可能在磁場快速消失時(shí)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(diǎn)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(jì)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(jī)相連，所有電子設(shè)備的保護(hù)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(hù)車上昂貴的電子設(shè)備。車輛檢測時(shí)，國際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立了較高的安全門檻。因此，保護(hù)器件的正確選擇必須達(dá)到甚至超過汽車行業(yè)制訂的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。
