《电子技术应用》

汽车安全很关键,设计要从小处着眼

2017/4/21 12:36:00

  不论在引擎盖下还是在驾驶室中,如今的先进芯片组对汽车固有恶劣环境中常见的电气危险格外敏感。为了保护 汽车电子设备免受破坏性影响,工程师们必须高度重视电气 瞬态(如抛负载)的主要来源——交流发电机。安全是汽车设计的首要考虑。对消费者来说,汽车是 一笔不菲的投入,所以必须保护好它们。最重要的是,汽 车出现安全问题,人便命悬一线。正因为如此,汽车厂家不惜采用气囊、稳定控制和胎压监测等各种安全技术。但设计的安全性远远胜过这些外在保护系统。对于汽车电子设备来 说,不论大小,安全都是设计考量的核心。

58f3457022916.png

  图1  实施抛负载保护的电路

58f345701d1dd-thumb.png

  图2  压敏电阻为直流电压较低的汽车应用提供了高浪涌电流电路保

  新型乘用车装备的电子设备越来越多。而我们仍然处 在汽车设计巨大转变的起点:车载信息娱乐系统和车联网的 出现将在未来五年使得汽车上采用的微处理器数量翻番。这 自然会导致对电子设备保护方案需求的增大,尤其是在汽车 那样的恶劣环境中。各种汽车电子设备,从内置显示到最新 的联网技术,都容易成为各种险情的攻击对象,如开关负载 或瞬态电压浪涌、静电放电和产生极端高压的其他事件。

  现代汽车设计中,所有车载电子设备都要连接电池和 交流发电机。交流发电机是电气瞬态的主要来源,其中最 糟的是抛负载。这种情况发生在电池已经断开而交流发电机 正在发电、其他负载还在交流发电机环路上时。如果置之不 理,电气尖峰和瞬态将沿着电线传递,导致个别电子设备和 传感器故障,或永久损坏汽车的电子系统。当然,抛负载失控还会威胁车辆本身的安全性和可靠性。

  1 如何设计完善的抛负载保护

  电路保护器件,包括瞬态电压抑制(TVS)二极管和压敏 电阻,都是对敏感电子设备提供抛负载保护的有效手段。选 择TVS二极管不仅因为它们是响应时间快(钳位电压低)、漏 电电流小的硅雪崩器件,还因为它们没有固有磨损系数。变阻器一般作为瞬态浪涌保护的前线方案使用。实例包括保护小型电子设备的超小型表面贴装多层压敏电阻(MLV)器件和 保护小型机械设备、电源和组件的传统金属氧化物压敏电阻 (MOV)。

  大多数现代交流发电机中,通过在扰动源上添加限流 TVS二极管抑制或钳制抛负载幅度。瞬态扰动应该内部抑制 或在扰动源端子上用抑制器件(TVS二极管)抑制。作为一种 最佳实践,设计人员应该将TVS二极管尽可能靠近扰动源。 图1为实施抛负载保护的电路,标明了TVS二极管的设计位 置。

  2 二极管要通过AEC-Q101认证

  汽车电子委员会(AEC)组件技术小组和其他监管组织制 订了严格的指导方针,厂家在设计、生产和测试整车及组件 时必须遵循这些方针。汽车行业使用的保护器件必须对瞬态 环境足够鲁棒,还能钳位到足以保护集成电路的较低(电压)

58f3456fc9d2c-thumb.png

  图3   MOV对汽车子系统供交流发电机瞬态保护

  水平。选择针对汽车应用的TVS二极管时,工程师应查找通 过AEC-Q101认证的产品,该产品适合高可靠性应用并具有 适合汽车应用的峰值脉冲功率耗散额定值。应考虑用具有 高峰值脉冲功率耗散额定值(如5,000W (10/1000?s)或2,200W (10ms x 150ms))的TVS二极管为敏感电子系统提供甩负荷和 其他浪涌事件引起的瞬态电压保护。选择通过AEC-Q101认 证的产品将保证它们兼容很多高温汽车应用。

  交流发电机瞬态电路保护可以使用金属氧化物压敏电 阻(MOV)。为敏感电子设备提供抛负载电压瞬态保护,所 选MOV要具有高达5KA(8/20μs脉冲)的峰值浪涌电流额定 值以及可靠的能量吸收能力。工程师应选择符合工业标准 AEC-Q200 (表10)和ISO 7637-2的MOV,保证它们适应恶劣 的汽车环境。

  3 压敏电阻可以在不同情况下应用

  压敏电阻为直流电压较低的汽车应用提供了高浪涌电 流电路保护,不论这些应用在汽车的乘客舱内还是在引擎盖 下。比如,MOV可以以Y形或三角形配置与交流发电机的绕

  组线圈连接,以钳制瞬态电压。

58f3456fb2872-thumb.png

  图4  MOV和TVS二极管能吸收触点电弧和继电器线圈产生的能量

  也可以用MOV对汽车子系统(如气囊、传动系和气候控 制)提供交流发电机瞬态保护。也可以作为瞬态浪涌的分流 电阻使用,避免直流电源线受浪涌影响(见图3)。

  开关继电器和线圈也能产生瞬态电压。继电器开关操 作时,触点处产生电弧,而线圈可能在磁场快速消失时释放 巨大的瞬态能量。这些事件可能损坏集成电路和其他敏感电 子设备。MOV和TVS二极管能吸收触点电弧和继电器线圈 产生的这种能量 (见图4)。

  4 结论:为什么必须符合这些标准

  汽车电子设备越来越多,工程师需要设计出能在恶劣 环境下保证其使用寿命的正确解决方案。由于车载电子设备 都与电池和交流发电机相连,所有电子设备的保护将从这里 开始。TVS二极管和变阻器可根据不同情况使用,保护车上 昂贵的电子设备。车辆检测时,国际标准设立了较高的安全 门槛。因此,保护器件的正确选择必须达到甚至超过汽车行 业制订的相关标准。


继续阅读>>