- 汽車環(huán)境中的電氣危害
- 數(shù)據(jù)線和電源線應(yīng)用
- 數(shù)據(jù)線和電源線的保護
- USB數(shù)據(jù)線使用一個低電容的保護元器件
- 使用內(nèi)部電容的軌對軌保護元器件
- 使用瞬變電壓抑制器(TVS)保護電源模塊
今天，汽車電子設(shè)備在整車中所占的比例相當(dāng)大。這些電子模塊雖然為汽車用戶帶來了舒適性和安全性，但與此同時，從汽車環(huán)境中電子模塊的可靠性來分析，也產(chǎn)生了一些不容忽視的問題。
因為電子模塊對電磁干擾(EMI)、靜電放電(ESD)和其它電氣干擾(汽車本身是這些危害的源頭)十分敏感，所以在汽車環(huán)境中使用電子模塊時必須慎重考慮。針對當(dāng)前汽車常見的電氣危害，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織出臺了多套電氣保護標(biāo)準(zhǔn)。汽車制造商和供應(yīng)商必須考慮這些標(biāo)準(zhǔn)，而只有在電子模塊中增加保護元器件，才能履行這些標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的主要責(zé)任。例如，車載電子模塊必須承受抗ISO7637-2和ISO10605兩大國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁干擾和ESD瞬變電壓。
汽車環(huán)境中的電氣危害
汽車環(huán)境本身包括很多電氣危害的源頭，汽車的各種零部件，如點火開關(guān)、繼電器觸點、交流發(fā)電機、燃油噴射器等，都會產(chǎn)生電磁干擾、靜電放電等電氣干擾。傳導(dǎo)性危害直接出現(xiàn)在線束內(nèi)；輻射性危害則直接影響電子模塊。這些由汽車環(huán)境產(chǎn)生的電氣危害將會在兩個方面影響電子模塊：數(shù)據(jù)線和電源線。
電氣危害的傳播
在汽車環(huán)境內(nèi)產(chǎn)生的瞬變事件可能從低能量級到高能量級變化，也可能從高能量級到低能量級變化，同時伴隨著極高的電壓斜率dV/dt。有關(guān)這些電氣危害的主要標(biāo)準(zhǔn)是ISO7637-2和ISO10605，有時還會參照IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，因為某些廠商在ISO10605標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布前一直使用ESD標(biāo)準(zhǔn)。
ISO7637-2是與電源線應(yīng)用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)；ISO10605(某些廠商使用IEC61000-4-2)是關(guān)于所有的電子模塊的配件如電位計、液晶顯示屏、按鈕和數(shù)據(jù)線連接器的標(biāo)準(zhǔn)。
圖1簡要描述了ISO7637-2和汽車電源線上的主要電涌。
圖1ISO7637-2和汽車電源線上的主要電涌
數(shù)據(jù)線和電源線應(yīng)用
數(shù)據(jù)線和電源線的限制因素不同。數(shù)據(jù)線應(yīng)用通常有低線路電容的限制，這是高速數(shù)據(jù)線功能所要求的，同時，數(shù)據(jù)線還要求高ESD保護性能。因此，選擇一個低電容和高ESD防護性能都兼顧的保護電路比較困難。
另一方面，雖然電源線應(yīng)用不需要低電容，但是，因為ISO7637-2標(biāo)準(zhǔn)施加各種脈沖，找到最適合的保護元器件也非易事。例如，甩負載電涌與繼電器開關(guān)產(chǎn)生的瞬變事件就要使用不同的保護元器件。
圖2如何保護高速數(shù)據(jù)線
數(shù)據(jù)線保護
以汽車音響設(shè)備的USB配件為例來探討一下USB的保護。USB接口的觸點部分可能受到ESD瞬變事件的影響，因此，USB數(shù)據(jù)必須使用一個專用的保護元器件。因為USB數(shù)據(jù)線的數(shù)據(jù)傳輸速率通常很高(480Mb/s)，為了不降低正常工作信號的強度，就必須使用一個低電容的保護元器件，同時由它來抑制±25kVESD的ESD電涌(ISO10605)。使用圖2的拓撲可以在低電容與高效ESD抑制能力之間找到平衡點。
這個辦法的實質(zhì)是在USB接口附近連接一個保護元器件。它由幾支采用軌對軌結(jié)構(gòu)的二極管組成，本身具有低電容的特性。內(nèi)部鉗位器件為兩條數(shù)據(jù)線提供±25kVESD(ISO10605)保護功能，以及為Vbus電源線提供保護功能。
假設(shè)軌對軌保護器件每條線的電容為2.5pF，預(yù)測這個保護拓撲的頻響如圖3所示。
圖3中截止頻率大約為5GHz，遠離USB480Mb/s收發(fā)器的正常工作頻率，因此，USB收發(fā)器可以安全工作。
圖3頻響
還有一種方法可以檢查這個軌對軌保護元器件對USB協(xié)議正常工作模式的影響，就是通過圖4的眼圖響應(yīng)來分析信號數(shù)據(jù)位的完整性。
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從圖4中不難看出，USB2.0信號的完整性沒有受到太大影響，因此它的傳輸是安全的。
圖4眼圖響應(yīng)與USB2.0模板
軌對軌保護解決方案的另一個優(yōu)點是在插接外部配件時（例如汽車音響系統(tǒng)），能夠抑制發(fā)生在外部接口上的ESD電涌。
如果繼續(xù)使用這個2.5pF內(nèi)部電容的軌對軌保護元器件，假設(shè)內(nèi)部鉗位電壓(Vbr擊穿電壓)為6V，則可以預(yù)測空氣放電響應(yīng)ESD±25kVISO10605(150pF/330)。當(dāng)施加+25kV的ESD電涌時，模塊電子側(cè)的剩余過壓大約為+35V；當(dāng)施加-25kV的ESD電涌時，模塊電子側(cè)的剩余過壓大約為30V。
電源線保護
車載模塊的電源線保護是在汽車環(huán)境中需要關(guān)注的另一個問題，這個問題涉及ISO7637-2標(biāo)準(zhǔn)。
例如，為滿足ISO7637-2標(biāo)準(zhǔn)，特別是圖1中的1、2、3a和3b的脈沖要求，只使用一個瞬變電壓抑制器(TVS)即可有效保護車載模塊。
電源線保護拓撲如圖5所示。
圖5電子模塊電源線保護拓撲
當(dāng)承受圖1中的1、2、3a和3b的脈沖時，該保護電路的特性如圖6、圖7、圖8、圖9和圖10所示。
圖10在ISO7637-2脈沖3b測試過程中通過TVS上的電壓和電流
我們要解決的問題是根據(jù)所要消除的電涌來確定保護元器件的參數(shù)。以圖8中的ISO7637-2脈沖2為例，不難看出，抑制器上的鉗制電壓大約是30V，峰值脈沖電流(Ip)大約是12A，在Ip/2點測得電流脈沖時長(tp)是4μs。因此，可判定TVS必須消耗360W的最大脈沖功率(Pp)。所有這些Pp、Ip和tp值是有用的，因為它們可以幫助比較TVS數(shù)據(jù)表中的峰值脈沖功率對指數(shù)脈沖時長的曲線，以確保TVS在應(yīng)用的限制范圍內(nèi)。
以SMAJ24A為例，從產(chǎn)品數(shù)據(jù)表摘取這些參數(shù)與圖11的曲線進行比較，發(fā)現(xiàn)SMAJ24A符合ISO7637-2脈沖2測試的要求，可承受長達1.2ms的360W指數(shù)脈沖，這個數(shù)值遠遠高于ISO7637-2脈沖2電涌強制的4μs時長。
圖11峰值脈沖功率對指數(shù)脈沖時長曲線(Tjinitial=25℃)
汽車環(huán)境是電氣危害的主要源頭，電子設(shè)備越來越容易受到干擾，所以在設(shè)計電子模塊時，必須慎重考慮電氣危害。為了確保電子模塊和系統(tǒng)的安全，防護汽車內(nèi)部產(chǎn)生的各種電氣危害，使用保護元器件成為了常用的方法。
