汽車(chē)安全很關(guān)鍵，設計要從小處著(zhù)眼

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(chē)固有惡劣環(huán)境中常見(jiàn)的電氣危險格外敏感。為了保護汽車(chē)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)(如拋負載)的主要來(lái)源——交流發(fā)電機。安全是汽車(chē)設計的首要考慮。對消費者來(lái)說(shuō)，汽車(chē)是 一筆不菲的投入，所以必須保護好它們。最重要的是，汽 車(chē)出現安全問(wèn)題，人便命懸一線(xiàn)。正因為如此，汽車(chē)廠(chǎng)家不惜采用氣囊、穩定控制和胎壓監測等各種安全技術(shù)。但設計的安全性遠遠勝過(guò)這些外在保護系統。對于汽車(chē)電子設備來(lái) 說(shuō)，不論大小，安全都是設計考量的核心。

圖1 實(shí)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(chē)應用提供了高浪涌電流電路保

新型乘用車(chē)裝備的電子設備越來(lái)越多。而我們仍然處 在汽車(chē)設計巨大轉變的起點(diǎn)：車(chē)載信息娛樂(lè )系統和車(chē)聯(lián)網(wǎng)的 出現將在未來(lái)五年使得汽車(chē)上采用的微處理器數量翻番。這 自然會(huì )導致對電子設備保護方案需求的增大，尤其是在汽車(chē) 那樣的惡劣環(huán)境中。各種汽車(chē)電子設備，從內置顯示到最新 的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，都容易成為各種險情的攻擊對象，如開(kāi)關(guān)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。
現代汽車(chē)設計中，所有車(chē)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(lái)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(kāi)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(shí)。如果置之不 理，電氣尖峰和瞬態(tài)將沿著(zhù)電線(xiàn)傳遞，導致個(gè)別電子設備和 傳感器故障，或永久損壞汽車(chē)的電子系統。當然，拋負載失控還會(huì )威脅車(chē)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(shí)間快(鉗位電壓低)、漏 電電流小的硅雪崩器件，還因為它們沒(méi)有固有磨損系數。變阻器一般作為瞬態(tài)浪涌保護的前線(xiàn)方案使用。實(shí)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、電源和組件的傳統金屬氧化物壓敏電阻 (MOV)。
大多數現代交流發(fā)電機中，通過(guò)在擾動(dòng)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(dòng)應該內部抑制 或在擾動(dòng)源端子上用抑制器件(TVS二極管)抑制。作為一種 最佳實(shí)踐，設計人員應該將TVS二極管盡可能靠近擾動(dòng)源。 圖1為實(shí)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(guò)AEC-Q101認證
汽車(chē)電子委員會(huì )(AEC)組件技術(shù)小組和其他監管組織制 訂了嚴格的指導方針，廠(chǎng)家在設計、生產(chǎn)和測試整車(chē)及組件 時(shí)必須遵循這些方針。汽車(chē)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)

圖3 MOV對汽車(chē)子系統供交流發(fā)電機瞬態(tài)保護

水平。選擇針對汽車(chē)應用的TVS二極管時(shí)，工程師應查找通 過(guò)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(chē)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(guò)AEC-Q101認 證的產(chǎn)品將保證它們兼容很多高溫汽車(chē)應用。

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(chē)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(chē)應用提供了高浪涌電 流電路保護，不論這些應用在汽車(chē)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(xiàn)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(xiàn)圈產(chǎn)生的能量

也可以用MOV對汽車(chē)子系統(如氣囊、傳動(dòng)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(xiàn)受浪涌影響(見(jiàn)圖3)。

開(kāi)關(guān)繼電器和線(xiàn)圈也能產(chǎn)生瞬態(tài)電壓。繼電器開(kāi)關(guān)操 作時(shí)，觸點(diǎn)處產(chǎn)生電弧，而線(xiàn)圈可能在磁場(chǎng)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 子設備。MOV和TVS二極管能吸收觸點(diǎn)電弧和繼電器線(xiàn)圈 產(chǎn)生的這種能量 (見(jiàn)圖4)。

4 結論：為什么必須符合這些標準

汽車(chē)電子設備越來(lái)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(chē)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(kāi)始。TVS二極管和變阻器可根據不同情況使用，保護車(chē)上 昂貴的電子設備。車(chē)輛檢測時(shí)，國際標準設立了較高的安全 門(mén)檻。因此，保護器件的正確選擇必須達到甚至超過(guò)汽車(chē)行 業(yè)制訂的相關(guān)標準。