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[分享] 采用可靠的汽车电子设备保护方法

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发表于 2016-8-26 16:16:48 | 显示全部楼层 |阅读模式
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背景知识

随着新特色的引入和对已有特色的改进和提高,汽车系统年复一年不断趋向成熟。每一项特色设备必须获取电源,受到保护并连接到整个汽车系统内各自的接口。直流-直流转换器必不可少,以便将12V 的汽车电池主电源转换为大小不同的电压,满足这些特色设备的工作需要。直流-直流转换器用于向混合动力或电动汽车的大负荷功能提供电源,也用于各类汽车的照明、显示、资讯娱乐和其他电子设备的电源供给。获取电源并工作时,汽车电子设备将面临各种瞬态事件,所以必须经受测试,确保符合包括ISO 7637在内的各类标准。在保护到位的情况下,电子设备可以与使用各种标准接口的系统连接,CANbus就是这类接口之一。确保这些接口的系统可靠性很重要,这涉及到电磁兼容性(EMC) 和共模杂讯(CMN) 问题。对系统的保护必须在所有接口都已到位后再次进行检查,以便确保足够的隔离和保护。

最后,必须考虑静电放电(ESD) 因素,因为电子设备将面临静电放电事件,这些事件早已在电路装配时开始,并将持续到汽车寿命结束。通过在直流- 直流转换器设置电阻器和磁件,针对瞬态保护采用聚合物正温度系数(PPTC) 装置,将共模轭流圈和片式压敏电阻器应用于电磁兼容性和各接口,以及采用多层片式压敏变阻器和钳位装置解决于静电放电问题,即可实现有效且可靠的电路保护。本白皮书将描述汽车环境中各元件的电源、瞬态和静电放电要求,还将介绍已经找到的有效保护汽车电子设备的各种技术和产品系列。

严格的汽车系统要求

在包括引擎控制器、安全、底盘控制器、故障诊断、资讯娱乐等等在内的众多系统中,电子设备正在替代机械耦合。每一件电子分总成(ESA) 经由诸如CAN(即控制器局域网)、Flexray(车载网络标准)及以太网等一系列网络接口连接到系统或者其他电子分总成,因此面临其他电子分总成造成的干扰或别的可靠性问题。鉴于可能性的大小,表面上看几乎没有什么共性,但撇开其功能,所有电子设备都必须从唯一的汽车电池取得电源,并且必须在汽车的整个生命期内经受明确的测试、浪涌和性能要求的考验。在健全的电源转换设计的基础上,电路保护也必不可少,以便确保电子设备免受外来浪涌、系统内其他电子设备或与人类互动的影响。设计一个稳定可靠的系统,着手点是了解转换、接口和威胁的有关要求和规定。接下来是选择满足要求的、符合或者高于汽车系统中每一部件性能和保护标准的元件。

保持电源电压水平稳定

直流- 直流转换器在电子领域用于电压水平之间的转换以及提供稳定且精确的电源。在一辆靠12V 电池运转的车内,标称电压为14 V。一些资讯娱乐电路需要将电压降低至5 V或3.3 V。相反,发光二极管(LED) 灯串需要将电压提升到60 V,用于混合动力或全电力汽车等的永磁直流电机则具有几百伏特的更大负载。出于这些转换的需要,供电电路通常将设有一个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、电感器(L)、电阻器(R) 和电容器(C)。一个开关可以代表该金属氧化物半导体场效应晶体管,如图1 所示。在这个电路中,与金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)电容相结合的线路寄生电感会干扰电路的正常工作。必须选择或插入若干元件,以便将该干扰的风险最小化,并且维持转换器和系统的稳定运转,无论转换器的设计是提升或是降低向负载供给的电压。

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瞬态事件保护

汽车电子设备的瞬态事件保护备受关注。人们充分认识对汽车电子设备造成威胁的各类瞬态浪涌,并且根据事件的类型通过ISO 7637 标准作出划分。这些事件可能持续数秒,还产生数百安培的电流。表1 详列了ISO 7637 测试规定,表中Ri 指电压发生器的内部电阻。每一件电子分总成(ESA) 必须以通过ISO 7637 测试的标准进行设计。设计者需要通过增设元件限制浪涌或电压钳位的方式满足必需的保护等级。

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系统接口带来额外挑战

以独立的单元提供足够的保护是向汽车系统引入电子分总成(ESA) 的起点。一旦通过接口连接到系统,电子分总成有可能促使网络电压升高。例如,连接到控制器局域网总线(CANbus) 的大部分电子分总成将含有一个共模感应器,用于限制通讯总线上多余的高频杂讯,改善收发设备对电磁兼容性(EMC) 的免疫力,并且减少电磁干扰。在这些好处的基础上,共模感应器还能在控制器局域网总线(CANbus) 收发设备的两端诱发高电压,正如在ISO 7637 测试1 中断开供电时所见。该电压因此应受到来自诸如汽车变阻器等抑制器的钳位作用,使电子分总成得到保护,免受过压条件可能导致的损坏。

所选用的感应器的核心、导线和构造类型以及电流的大小将影响电子分总成的电磁放射,而放射的水平必须符合汽车制造商指定的原则。有时候,这些原则可能比国际上的EN55022 Class B 规定更为严格,后者规定的排放水平是0 - 230 MHz 频率范围对应30dB (mV/m),230 MHz - 1 GHz 对应37 dB (mV/m)。

针对静电放电事件的保护

最后,汽车电子设备必须受到保护,免受静电放电(ESD) 的破坏。在出于资讯娱乐需要而采用通用串行总线(USB) 的同时,静电放电事件的风险增加了。静电放电脉冲的电流和电压浪涌所造成的故障分为以下三种:1,由电路或其操作软件自动更正的临时错误;2,需要操作员介入来恢复正常操作的临时错误;以及3,需要局部修理或彻底更换的永久损坏。

出于服从瞬态保护的需要,汽车工业使用一套熟悉的标准制订静电放电保护原则。表2展示针对人体模型(HBM) 的电流- 时间曲线和静电浪涌。它模拟了操作装配线时能量通过与人体接触向人体传播。在测试方面,浪涌发生器能再现人体模型曲线,方法是把一个电压源连接到一个1.5 kΩ 的电阻器和100 pF 的电容器上,如图2 所示。这些测试将帮助设计者在设计时适当考虑电压抑制,例如采用Bourns. ChipGuard. 的片式压敏变阻器。

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有助于确保可靠性的解决方案

电源中的电阻器

第一件插入电源用于保护的元件是电阻器。如果金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)被接通,电容器两端的电压被诱发:V - V * cos(ωt),其中

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。该正弦波的峰值振幅是电源电压的两倍,金属氧化物半导体场效应晶体管可能因此损坏。增设一个电阻器R与该晶体管串联,以便抑制这些振荡并保护该晶体管。电阻器的类型选择取决于转换器的输出功率。电阻器对某个设计的适用性可以由多个因素决定。首先,它的平均功耗的计算可以按照方程:Pav = Ppk* D,其中

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,Tpulse是浪涌的脉冲长度,而Tperiod是浪涌之间的时间。电阻器和电路板总的热阻计算公式:Rth = Rth(电阻器)+ Rth(电路板)。电路的温升计算公式:ΔT = Pav*Rth。最后,电阻器能够处理的能量焦耳-浪涌时间的图表。浪涌中的能量计算是将浪涌的峰值功率乘以浪涌持续时间,再乘以浪涌对矩形脉冲的相对面积。

Bourns的固定电阻器产品组合包括符合AEC-Q200标准的PWR系列各式封装的功率电阻。这些厚膜无感电阻器与背板之间电绝缘,且其额定功率可高达50 W。Bourns&#174;的PWR163及PWR263型号具有低电感的特性,是理想的高频应用选择,而且它们非凡的脉冲特性支持电流限制或电容器放电应用。Bourns&#174;4816P型号SOIC电阻器网络提供隔离、总线、和标准终端等选择,公差低至0.5 %。

针对在电源电路中的使用,列举一个评估电阻器的例子。假设 Pav = 9.2W,且工作温度为 90°C。使用 Bourns&#174; PWR263S-35 型号的功率电阻,以及一块普通的带有热交换器的高性能敷铜电路板,二者的热阻分别为 3.5 °C/W和 2.5 °C/W,合计 6 °C/W。温升为 55.2 °C。元件的总体温度等于温升和工作温度的和。在这个例子中,电阻器温度为145 °C,低于Bourns&#174; PWR263S-35 型号数据表中所列的最高温度 155 °C。数据表上的时间 - 能源曲线将指出该零件是否能够处理浪涌的瞬时功率。如果该电阻器满足所有规定,就能被采纳到设计中来。

高强度气体放电灯

直流-直流转换器的另一个应用是向车内必要的照明电路供电。高强度气体放电(HID)灯需要非常高的数千伏点火电压脉冲,随后是一个恒定的电压。一个变压器的线圈和火花管产生高点火电压,如图3所示。Bourns生产一系列的高压火花管,名为Sparctube&#8482;开关放电器,用于高强度气体放电车灯电路。Bourns&#174; Sparctube&#8482; ST系列特别针对电容性放电电路的电压控制开关而设计,满足这类电路高能量、低损失和快速开关的要求。这一系列产品在高温条件下工作,可靠性长久。汽车内最常用的是800V和840V的零件,分别与之对应的Bourns&#174;产品是ST-0800-Bxx-STD型号和ST-0840-Bxx-STD型号。

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实施有效的瞬态保护

Bourns&#174; Multifuse&#174;聚合物正温度系数(PPTC)装置是瞬态保护的理想选择。Bourns&#174;Multifuse&#174;装置是一个具有非线性电阻对温度特性的热敏电阻。Bourns&#174; Multifuse&#174;的聚合物正温度系数装置的选择取决于工作电压,通常为16V,鉴于标称电压为14V,还取决于针对电子分总成(ESA)应用的工作电流以及规格指明的跳脱动作时间。在正常工作中,该装置的电阻极其低,电路中基本不可见。当聚合物正温度系数装置的工作电流达到跳脱电流,装置温度升高,且电阻急剧跃升到一个非常高的值。

不同聚合物在元件制造过程中的混合使得装置具备特定的特性,例如高电流量(低电阻)、高工作电压或高工作温度。虽然聚合物正温度系数装置通常的最高工作温度为85°C,Bourns&#174; Multifuse&#174;的一些装置却额定为125 °C。Bourns&#174;的元件在更宽广的温度范围内实现更稳定的电阻。这一点对于热敏电阻在电路中发挥作用的情况而言,是很了不起的好处。照相机模组的差动线就是一个例子。模组的带宽会受到聚合物正温度系数(PPTC)装置电阻变化的影响,所以,选择一个不会过早地干扰电路或跳脱的正常工作的元件非常重要

通过共模电感器实现低电磁干扰水平

在一个共模杂讯轭流圈内,每一电感绕组是以串联方式与输入线连接的。电感绕组的连接和相位经过布置,使得由每一绕组产生的通量一经出现,另一绕组的通量被取消。电感器对输入信号的插入阻抗于是为零,只是在漏电抗和绕组的直流电电阻内有少量的损失。

图4中展示了瞬时电流向一个方向、在一条输入线内前进且通过另一条输入线返回。内核中产生的反向通量确保任一绕组内基本上没有诱发电压,所以输入电流能穿过共模轭流圈且几乎没有功率损耗。多余的高频电流被称为共模杂讯(CMN),会出现在一条或者全部两条输入线内,如图5所示。共模杂讯电流通过接地返回到杂讯源。由于该电流不因为反向返回被取消,它在共模杂讯感应器的任一个或全部两个绕组处遭遇充分阻抗。共模杂讯电压必须在共模感应器绕组内被削弱,以便减少线上多余的噪波。

在电源接口和控制器局域网(CAN)收发设备上使用的电感器应该是有屏蔽表面贴装元件,能够应付高电流。Bourns&#174;的SRP系列提供多种电感器。它们的屏蔽外壳有助于实现汽车设计要求的低电磁干扰。Bourns&#174; SRP电感器系列将扁线技术和粉末铁心结合起来,实现紧凑高效的封装。扁线最大化地使用了其表面积,提高了传导性,并因此有能力应付高频转换。

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避免过压损坏

Bourns&#174; ChipGuard&#174;的多层片式压敏变阻器除了在汽车系统的其他领域起到钳位装置的作用外,还是针对优化静电放电(ESD)保护而设计的。这些装置具有低电容低漏损的特性,正常工作状态下在电路上基本不可见,并且能承受各种静电放电事件。当过压条件产生,Bourns&#174; ChipGuard&#174;变阻器将电压控制在一个安全的水平,以便保护电子分总成免受过压损坏。图6展示的抑制器连接到电子分总成的两端,保护该电子器件在安装到电路板上时以及整个寿命期间免受静电放电的影响。包括Bourns&#174; CG0603MLC型号在内的符合AEC-Q200标准的变阻器合乎ISO 7637的1-3b测试要求。选择正确的Bourns&#174;ChipGuard&#174;装置取决于电子分总成的特性,以便该零件的电压和跳脱特性符合应用要求。

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经检验可用于汽车电子设备的元件

几十年来,Bourns 一直是可信赖的电子元件供应商。他们的电阻、磁性、聚合物正温度系数(PPTC)和保险丝元件满足了汽车电子设备设计者在直流-直流转换器设计、瞬态和静电放电保护、以及接口和系统稳定性方面的要求。所有获准用于汽车系统的Bourns&#174;元件是在完全符合TS16949标准的设备内制造的。这些元件已经接受著名的无源元件规定AEC-Q200测试并证明合格。鉴于这些元件被结合到汽车电子设备设计中,Bourns与汽车客户在检验过程中通力合作,提供获得批准所需文件,而且朝着符合质量目标的方向继续努力。秉持着质量、客户服务和创新领域的可靠工作业绩,Bourns以其一臂之力确保设计者专注于设计。

欲了解更多关于Bourns旗下电路保护解决方案全套产品的信息,请访问:www.bourns.com
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