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对车载电子系统电路保护的考量

发布人：lulu888 时间：2009-06-24 来源：工程师

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    新型车载信息娱乐系统和导航系统能提供更多的内容，让你体验到更高质量的音频和视频节目，并且改善了个人通信装置的连接性能。为了适应很高的数据传输速率，满足当前通信的要求，要对这种设备进行保护，避免因为顾客误用、危险性的环境和电源波动而造成损坏。

    在信息娱乐系统中广泛使用了自复PPTC（聚合物正温度系数）器件，用它们保护精密的电子元件及周边设备。在自复功能不可取或不实际的应用系统中，通常使用片式表面贴装熔断器。

    信息娱乐设备也容易因为过高的瞬变电压而损坏，其中包括它所在的工作环境及周边设备产生的静电放电（ESD）脉冲。通常使用ESD保护器件、金属氧化物变阻器（MOV）和齐纳二极管来保护汽车电子设备，例如天线、背光加热器、电池、按键、电路板上的印制线、CD/DVD播放器，数据线端口、硬盘驱动器以及输入/输出端口和触摸屏。

对于汽车电路保护器件在设计上的考虑

● PPTC过流/过热保护

    广为流行的PPTC器件具有自复功能，可以把它装在汽车中便于接近的位置。它有很多种不同电气性能和尺寸的产品，便于实现各种精确的保护设计方案。而在选择PPTC器件时，主要考虑的问题是，器件的保持电流额定值要和设备在正常工作时的初级电流匹配。

图1 各种电路保护器件

● ESD保护器件

高速输入/输出端口要求使用电容小的ESD保护器件，尽量保持信号质量不会下降。选用的器件应当适合高速数据传输线路和无线电频率数据线路，能够经受无数次的ESD瞬变电压。要符合RoHS 和IEC61000-4-2的要求，电容要小、触发电压要低、响应时间要短，这些也是ESD保护器件的重要特性。

图2　PolyZen器件结构

● 表面贴装熔断器

    电流大、尺寸小的表面贴装熔断器有熔断快和慢的两种产品，它们的熔断特性都应当干净利落，整个熔断过程在封装里面进行。它们抑制电弧的特性应当良好，并且能够承受冲击和振动。

● 金属氧化物变阻器

    金属氧化物变阻器（MOV）有各种直径和电压范围的产品。MOV器件可以流过很大的电流，能够吸收很大的能量，从而实现过压保护。在选择MOV时，主要根据钳位电压电平（受抑制的电压额定值）和响应时间。

直流电源端口的保护

    汽车电源总线很“脏”，这是大家都知道的。汽车电源的额定值是12V，但是在正常工作时，会在8～16V的范围内变化。还有，电池的电流会超过100A，而且会因为继电器动作或者熔断器熔断而中断，因而在电源总线上产生很大的感应电压尖脉冲，电压会增大5倍以上。

图3 熔断器和PolySwitch器件AGR500的性能比较

汽车电源在运作过程中，会因为电池接错或者在双电池启动时接到电压高一倍（24V）的电池上而造成损坏。有一种情况称作“抛负载”，它可能会在电源总线上产生很高的电压。典型的第三方电源转换器会把它滤掉一些，但是泰科电子公司的测试表明，这些电源转换器抑制瞬变电压的能力变化很大。通常USB接口充电的装置一般不是针对这种类型的电压波动而设计的，因而需要过压保护。

图4 熔断器和PolySwitch器件ASMD150的性能比较

    在车内充电的便携设备对过流和过压保护的需求越来越大，很多公司为此推出了新器件，泰科电子的新型PolyZen器件就是其一。这种器件与类似于齐纳二极管的保护器件一起使用时，具有协同保护的作用，能够承受功率非常高的故障情况。

    如图2所示，微型PolyZen器件中包含一个稳定的齐纳二极管和一层非线性的电阻性PPTC层。齐纳二极管能够精密地对电压进行钳位，而电阻性的PPTC层会对二极管的发热或者过电流事件作出响应，从低电阻状态转变到高电阻状态。

    对于电感性电压尖脉冲的钳位和平滑，PolyZen器件特别有效。在出现电感性尖脉冲时，齐纳二极管把电流旁路到地，直到电压降低到正常的工作范围。在供电电压出错的情况下，PolyZen器件对电压进行钳位，把过大的电流旁路到地，防止电源的错误造成影响。PolyZen器件的电压与电流响应特性比较平坦，有利于对输出电压进行钳位，即使输入电压和电源电流同时变化的情况下也能做到这点。

    因为在汽车应用系统中电流有可能会很大，要很小心谨慎，保证有妥善的保护。对于选用的器件，要检查它的IFLT最大值和Vout峰值，确保器件能够提供所需要的保护能力。

    保护电子模块的PCB板市场要求更多的电子器和更多的内部空间，面对这个要求，汽车制造商把更多电路装到更小的封装里面。为了用更小和更密集的印刷电路板面积提供越来越多的功能和连接线，必须减少电路板上的印制线宽度。

    这些控制模块是个“黑盒子”，现在用来控制越来越多的大功率配件，例如电动车窗、电动座椅、遥控车门锁，以及无线电收音机和GPS天线。因为这些配件的电源是由电流很大的电路提供的，而印刷电路板上印刷线很细，又要流过很大的电流，烧坏的可能性增大了。

    印刷电路板上的印制线起的作用是把电流从一个地方送到另一个地方。一般使用自复PPTC器件来保护电路板上这些细小的印刷线，因为这类器件能够迅速而有效地把电流限制在安全的数值上，同时尺寸又很小，可以直接装到电路板上。利用这项技术，模块中的每一个单独电源电路都可以用一个PPTC器件来保护，把电流限制在一个安全的数值上，不会将它烧断。

    在图3和图4中对熔断器和PolySwitch器件作了比较。这里我们假定，电路板设计人员把印制线的最高温度规定在100℃。因此，随着印刷线的温度接近100℃，它上面可以流过的电流越来越小。

    图3所示是一个35μm、2.5mm的印刷线，用了一个插装PolySwitchTM器件AGR500来保护。在图3中，印制线的宽度减少到0.5mm，用一个PolySwitch系列表面贴装器件ASMD150来保护它。

    PPTC电路保护器件得到广泛的采用，作为一种实用的、经济有效的解决办法，在电子模块中用作过流和/或过热保护。在GPS、DVD或者收音机和汽车通信信息系统（telematics）的电路板中，常常用这种器件来限制电流。

结语

    利用过电流、过电压和ESD协同保护，可以减少元件数量，提高电子元器件和网络的效率和可靠性。 [大中小][打印]

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