【導讀】不論在引擎蓋下還是在駕駛室中，如今的先進芯片組對汽車固有惡劣環(huán)境中常見的電氣危險格外敏感。為了保護汽車電子設備免受破壞性影響，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。安全是汽車設計的首要考慮。
對消費者來說，汽車是一筆不菲的投入，所以必須保護好它們。最重要的是，汽車出現(xiàn)安全問題，人便命懸一線。正因為如此，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。但設計的安全性遠遠勝過這些外在保護系統(tǒng)。對于汽車電子設備來說，不論大小，安全都是設計考量的核心。
圖1.實施拋負載保護的電路
圖2.壓敏電阻為直流電壓較低的汽車應用提供了高浪涌電流電路保
新型乘用車裝備的電子設備越來越多。而我們仍然處在汽車設計巨大轉變的起點：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。這自然會導致對電子設備保護方案需求的增大，尤其是在汽車那樣的惡劣環(huán)境中。各種汽車電子設備，從內置顯示到最新的聯(lián)網(wǎng)技術，都容易成為各種險情的攻擊對象，如開關負載或瞬態(tài)電壓浪涌、靜電放電和產(chǎn)生極端高壓的其他事件。
現(xiàn)代汽車設計中，所有車載電子設備都要連接電池和交流發(fā)電機。交流發(fā)電機是電氣瞬態(tài)的主要來源，其中最 糟的是拋負載。這種情況發(fā)生在電池已經(jīng)斷開而交流發(fā)電機正在發(fā)電、其他負載還在交流發(fā)電機環(huán)路上時。如果置之不理，電氣尖峰和瞬態(tài)將沿著電線傳遞，導致個別電子設備和傳感器故障，或永久損壞汽車的電子系統(tǒng)。當然，拋負載失控還會威脅車輛本身的安全性和可靠性。
1.如何設計完善的拋負載保護
電路保護器件，包括瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管和壓敏電阻，都是對敏感電子設備提供拋負載保護的有效手段。選擇TVS二極管不僅因為它們是響應時間快(鉗位電壓低)、漏電電流小的硅雪崩器件，還因為它們沒有固有磨損系數(shù)。變阻器一般作為瞬態(tài)浪涌保護的前線方案使用。實例包括保護小型電子設備的超小型表面貼裝多層壓敏電阻(MLV)器件和保護小型機械設備、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)電機中，通過在擾動源上添加限流TVS二極管抑制或鉗制拋負載幅度。瞬態(tài)擾動應該內部抑制 或在擾動源端子上用抑制器件(TVS二極管)抑制。作為一種最佳實踐，設計人員應該將TVS二極管盡可能靠近擾動源。圖1為實施拋負載保護的電路，標明了TVS二極管的設計位置。
2.二極管要通過AEC-Q101認證
汽車電子委員會(AEC)組件技術小組和其他監(jiān)管組織制訂了嚴格的指導方針，廠家在設計、生產(chǎn)和測試整車及組件時必須遵循這些方針。汽車行業(yè)使用的保護器件必須對瞬態(tài)環(huán)境足夠魯棒，還能鉗位到足以保護集成電路的較低(電壓)水平。選擇針對汽車應用的TVS二極管時，工程師應查找通過AEC-Q101認證的產(chǎn)品，該產(chǎn)品適合高可靠性應用并具有適合汽車應用的峰值脈沖功率耗散額定值。應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)提供甩負荷和其他浪涌事件引起的瞬態(tài)電壓保護。選擇通過AEC-Q101認證的產(chǎn)品將保證它們兼容很多高溫汽車應用。
圖3.MOV對汽車子系統(tǒng)供交流發(fā)電機瞬態(tài)保護
交流發(fā)電機瞬態(tài)電路保護可以使用金屬氧化物壓敏電 阻(MOV)。為敏感電子設備提供拋負載電壓瞬態(tài)保護，所 選MOV要具有高達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。工程師應選擇符合工業(yè)標準 AEC-Q200 (表10)和ISO 7637-2的MOV，保證它們適應惡劣的汽車環(huán)境。
3.壓敏電阻可以在不同情況下應用
壓敏電阻為直流電壓較低的汽車應用提供了高浪涌電流電路保護，不論這些應用在汽車的乘客艙內還是在引擎蓋下。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)電機瞬態(tài)保護。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)。
開關繼電器和線圈也能產(chǎn)生瞬態(tài)電壓。繼電器開關操作時，觸點處產(chǎn)生電弧，而線圈可能在磁場快速消失時釋放巨大的瞬態(tài)能量。這些事件可能損壞集成電路和其他敏感電子設備。MOV和TVS二極管能吸收觸點電弧和繼電器線圈產(chǎn)生的這種能量(見圖4)。
4.結論：為什么必須符合這些標準
汽車電子設備越來越多，工程師需要設計出能在惡劣 環(huán)境下保證其使用壽命的正確解決方案。由于車載電子設備都與電池和交流發(fā)電機相連，所有電子設備的保護將從這里開始。TVS二極管和變阻器可根據(jù)不同情況使用，保護車上昂貴的電子設備。車輛檢測時，國際標準設立了較高的安全門檻。因此，保護器件的正確選擇必須達到甚至超過汽車行業(yè)制訂的相關標準。
