保護汽車(chē)電子系統中的數據線(xiàn)和電源線(xiàn)

前言

今天，汽車(chē)電子設備在整車(chē)中所占的比例相當大。這些電子模塊雖然為汽車(chē)用戶(hù)帶來(lái)了舒適性和安全性，但與此同時(shí)，從汽車(chē)環(huán)境中電子模塊的可靠性來(lái)分析，也產(chǎn)生了一些不容忽視的問(wèn)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(chē)本身是這些危害的源頭)十分敏感，所以在汽車(chē)環(huán)境中使用電子模塊時(shí)必須慎重考慮。針對當前汽車(chē)常見(jiàn)的電氣危害，國際標準化組織出臺了多套電氣保護標準。汽車(chē)制造商和供應商必須考慮這些標準，而只有在電子模塊中增加保護元器件，才能履行這些標準所規定的主要責任。例如，車(chē)載電子模塊必須承受抗ISO7637-2和ISO10605兩大國際標準規定的電磁干擾和ESD瞬變電壓。

汽車(chē)環(huán)境中的電氣危害

汽車(chē)環(huán)境本身包括很多電氣危害的源頭，汽車(chē)的各種零部件，如點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、繼電器觸點(diǎn)、交流發(fā)電機、燃油噴射器等，都會(huì )產(chǎn)生電磁干擾、靜電放電等電氣干擾。傳導性危害直接出現在線(xiàn)束內；輻射性危害則直接影響電子模塊。這些由汽車(chē)環(huán)境產(chǎn)生的電氣危害將會(huì )在兩個(gè)方面影響電子模塊：數據線(xiàn)和電源線(xiàn)。

電氣危害的傳播

在汽車(chē)環(huán)境內產(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(shí)伴隨著(zhù)極高的電壓斜率dV/dt。有關(guān)這些電氣危害的主要標準是ISO7637-2和ISO10605，有時(shí)還會(huì )參照IEC61000-4-2標準，因為某些廠(chǎng)商在ISO10605標準發(fā)布前一直使用ESD標準。

ISO7637-2是與電源線(xiàn)應用相關(guān)的標準；ISO10605 (某些廠(chǎng)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、按鈕和數據線(xiàn)連接器的標準。

圖1簡(jiǎn)要描述了ISO7637-2和汽車(chē)電源線(xiàn)上的主要電涌。

圖1 ISO7637-2和汽車(chē)電源線(xiàn)上的主要電涌

數據線(xiàn)和電源線(xiàn)應用

數據線(xiàn)和電源線(xiàn)的限制因素不同。數據線(xiàn)應用通常有低線(xiàn)路電容的限制，這是高速數據線(xiàn)功能所要求的，同時(shí)，數據線(xiàn)還要求高ESD保護性能。因此，選擇一個(gè)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(xiàn)應用不需要低電容，但是，因為ISO7637-2標準施加各種脈沖，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(kāi)關(guān)產(chǎn)生的瞬變事件就要使用不同的保護元器件。

圖2 如何保護高速數據線(xiàn)

數據線(xiàn)保護

以汽車(chē)音響設備的USB配件為例來(lái)探討一下USB的保護。USB接口的觸點(diǎn)部分可能受到ESD瞬變事件的影響，因此，USB數據必須使用一個(gè)專(zhuān)用的保護元器件。因為USB數據線(xiàn)的數據傳輸速率通常很高(480Mb/s)，為了不降低正常工作信號的強度，就必須使用一個(gè)低電容的保護元器件，同時(shí)由它來(lái)抑制±25kV ESD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(diǎn)。

這個(gè)辦法的實(shí)質(zhì)是在USB接口附近連接一個(gè)保護元器件。它由幾支采用軌對軌結構的二極管組成，本身具有低電容的特性。內部鉗位器件為兩條數據線(xiàn)提供±25kV ESD (ISO10605)保護功能，以及為Vbus電源線(xiàn)提供保護功能。

假設軌對軌保護器件每條線(xiàn)的電容為2.5pF，預測這個(gè)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USB 480Mb/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(gè)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(guò)圖4的眼圖響應來(lái)分析信號數據位的完整性。

從圖4中不難看出，USB2.0信號的完整性沒(méi)有受到太大影響，因此它的傳輸是安全的。

圖4 眼圖響應與USB 2.0模板

軌對軌保護解決方案的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是在插接外部配件時(shí)（例如汽車(chē)音響系統），能夠抑制發(fā)生在外部接口上的ESD電涌。

如果繼續使用這個(gè)2.5pF內部電容的軌對軌保護元器件，假設內部鉗位電壓(Vbr擊穿電壓)為6V，則可以預測空氣放電響應ESD ±25kV ISO10605 (150pF/330)。當施加+25kV的ESD電涌時(shí)，模塊電子側的剩余過(guò)壓大約為+35V；當施加-25kV的ESD電涌時(shí)，模塊電子側的剩余過(guò)壓大約為30V 。