运用带PolySwitch PPTC器件进行汽车线束保护的优势

简介

为了降低二氧化碳排放水平、提高燃料能效，汽车制造企业如今正在朝着车辆减重这一方向积极努力。因此，设计师们也在不断寻求能帮助他们有效减轻线束重量的新技术和设计手段。为了保持市场竞争力，汽车制造商还必须降低保修成本并改善用户满意度。所以，汽车设计师们正面临着寻找一条新出路的挑战—既要减轻车重，又不能牺牲系统可靠性。

这种行业趋势引导设计人员重新回顾他们所采用的防止因大故障电流而受损的汽车电力功能保护方法。尽管在过流保护上使用分散式线束技术和PPTC(聚合正温度系数)器件具有明显的重量优势，但许多厂家仍在使用传统的熔断保护技术，导致线束重量难以减轻。

这份白皮书介绍了采用分散式架构和泰科电子PolySwitch器件保护汽车线束的巨大优势，并与传统的熔断器保护集中架构进行了比较。本文还介绍了 PolySwitch器件的特性，并提供了将这些器件用于分散式架构的具体应用实例，将促进开发更轻便、更灵活、更可靠的线束保护设计。

线束保护趋势

虽然早在 990年代就推出了采用PPTC器件的分散式线束保护手段，但OEM采用这种方法的进展十分缓慢。事实上，随着现代车辆应用中电气和电子功能的不断增加，汽车布线系统已经变得比以往任何时候都要更庞大、更沉重、也更复杂。

除了改变传统设计方法的阻力之外，使用PPTC器件的好处一直被车辆中历来使用的粗电线所制约。过去，机械强度规定车辆中使用的最细电线为0.35 mm2 (22 AWG)，可以承载8- 0A电流。这一限制抵消了针对小电流信号电路(如8A)使用PPTC器件的优势。如今，新型导线材料工艺已经能做到让直径较小的导线承载较大的电流，比如0. 3 mm2 (26 AWG)导线最大可承载5 A电流。如果配合PPTC分散式保护架构，这种进步将会带来更多的重量节省。

一项针对中、高档乘用车、采用分散式架构和泰科电子PolySwitch器件的研究显示，仅铜线一项就节省重量约50%。此外，由于采用了分散式架构，并用可复位PolySwitch器件替代熔断器，系统可靠性和设计灵活性得到大大改善。

汽车线束保护

在汽车里，电流通过分布在全车的各种主要和次要电线总成流向不同的电气负载。对于 2 V电池系统来说，电路一般在 4 V系统电压下(多数卡车和公交车中是24 V电池系统，系统电压为28 V)承载0. 0A到30A的电流。线束必须加以保护，防止因灾难性热事件(如短路)而受损。

设计人员面临的难题是既要增加电路保护器件、对电器系统中的潜在过载条件进行保护，同时又要降低总成本和重量。由于典型车辆一般含有数百个电路和超过一公里长的电线，复杂的布线系统使传统的电路设计手段陷入困境，并会导致不必要的超安全标准设计。

传统方法：集中式架构和熔断器

如图1a 所示，汽车布线系统的传统保护方案过去采用的是集中和分布式多负载熔断技术。在这种类型的集中(或称为“星形”)架构中，每种功能都需要一条单独导线。如果单根导线支持多种功能，那么这根导线及其熔断器也必须承载所有这些功能的电流总和。当从电气中心发出的电路越来越多时，在单独一个接线盒中安排所有导线的出入线路并将该接线盒布置在方便司机维修的位置，已经变得几乎不大可能了。因此，系统设计人员曾经诉诸于一些减少了部分最终效用的线束设计方案，如：

1. 把负载组合在一个电路中，牺牲了导线规格优化和故障隔离;

2. 以提高成本为代价，把电气中心布置在只有经过培训的专业维修人员才能接近的位置;

3. 在各种功能系统之间来回布线，增加了布线长度、规格和成本。例如，由于熔断器必须便于维护，传统的车门模块可能要为车窗、门锁、LED和后视镜功能提供单独的电力馈线，每条馈线都要在接线盒内用一个单独的熔断器进行保护。

图1a. 典型集中式架构

图1b. 典型分散式架构

车辆的传统集中式布线保护架构依靠数量有限的大规格熔断器来保护各种电路，防止它们因大电流故障条件而受损。虽然熔断器相对来说不贵，但作为单一用途器件，一旦烧毁就必须更换。这一特性意味着熔断器必须安装在便于接触的熔断器盒内—这一要求决定了系统架构并迫使封装和系统布局作出让步。熔断器在相同的外形尺寸下也具有2A到30A的标称额定电流，它们经常被替换成大于设计值的熔断器或者跳出电路的熔断器(当用在离域模块中时)。

备选方法：使用PolySwitch器件的分散式架构

这是一种优化的线束保护方案，它具有树状层次结构，主电力“干线”分为若干较小的“分支”，而在每个节点提供过流保护。这种架构允许使用规格更小、更节省空间的电线，从而降低了车重和成本。它还有助于改善系统保护并提供故障隔离，因此极大地提高了可靠性。图1b给出了分散式架构的示意图，其中多个接线箱 (用黄色表示)通过电源总线供电。每条从接线箱出来、接到电源、再到不同功能装置的电线都可以用一个可复位的电路保护器件保护。图2是局部分布式架构的一个简化版本，其中每个接线箱要么直接对一个模块供电，要么对另一个为外围负载提供电力的节点模块供电。

图2. 局部分布式汽车线束架构的细节

使用PolySwitch过流保护器件可以实现分散式电气系统架构。鉴于汽车级器件的可用性和在继电器上可以期待的可靠性，这些模块可以开关(切换)并保护自身的输出负载并安装在不便维修的位置。

由于PolySwitch器件的采用不再需要经过便于用户接近的中央熔断器座进行配电布线，因此可以按照电源与负载之间最直接的路径完成布线。从而缩短了电线长度，减小了电线规格，不仅节省了大量空间、尺寸和成本，也减少了车辆中使用的各种端子、触点、开关和电子驱动电路。此外，分散式架构还可以减少所需的连接器和接线箱数量及尺寸。比如，通过在车门模块中采用PolySwitch器件，可以使用一条电力馈线，节省了电线，降低了成本和接线箱尺寸。