挑戰(zhàn)

無論是傳統(tǒng)汽車和新能源汽車，安全、綠色、舒適的汽車電子系統(tǒng)是共同的訴求，汽車安全性包括零失效、功能安全和自診斷模塊;環(huán)境友好性指通過車載網(wǎng)絡(luò)的使用來減輕車重，從而降低能耗，還包括采用環(huán)保材料和工藝;強(qiáng)大的圖形圖像處理技術(shù)，直觀友好的人機(jī)界面都為駕駛者帶來舒適的駕駛體驗(yàn)。

汽車中電子器件的技術(shù)含量和數(shù)量是衡量汽車性能一個重要標(biāo)志。隨著人們對駕駛的舒適性、安全性、娛樂性和經(jīng)濟(jì)性的要求日益苛刻，使汽車電子系統(tǒng)變得更加復(fù)雜，汽車中電子器件的數(shù)量也越來越多。ABS、電子點(diǎn)火系統(tǒng)、氣囊保護(hù)和倒車?yán)走_(dá)等許多功能現(xiàn)已被當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)配置，而這還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，因?yàn)槿藗儗Ω珳?zhǔn)的汽車控制和娛樂享受的追求沒有停歇。

然而，汽車電子的設(shè)計者在系統(tǒng)設(shè)計過程期間，將面臨眾多的技術(shù)挑戰(zhàn)，包括設(shè)計各種克服電氣危害的電路保護(hù)方法。這些系統(tǒng)中電氣危害的三大主要來源是靜電放電(ESD)、雷電以及電力電子電路中的開關(guān)性負(fù)載。克服破壞車輛電子設(shè)備的瞬態(tài)浪涌是設(shè)計過程中最大的挑戰(zhàn)。

解決方案

汽車電子電路保護(hù)包括消除瞬態(tài)浪涌，因其將損害控制單元、娛樂系統(tǒng)電子設(shè)備、傳感器、噴油嘴、閥門、電機(jī)、12/24/42V傳動系統(tǒng)和水解控制器等等。

Littelfuse瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)保護(hù)什么?

如圖1所示，力特瞬態(tài)電壓抑制器為車輛的四大主要類型系統(tǒng)提供保護(hù)：安全性系統(tǒng)、高性能系統(tǒng)和低輻射、舒適系統(tǒng)和便捷系統(tǒng)，以及混合動力汽車系統(tǒng)。

現(xiàn)代汽車設(shè)計中，所有車載電子設(shè)備連接到電池和交流發(fā)電機(jī)上。如圖2所示，交流發(fā)電機(jī)的輸出不穩(wěn)定，用于為車輛其它系統(tǒng)提供電力前，要求進(jìn)一步調(diào)試。今天，大部份交流發(fā)電機(jī)具有穩(wěn)壓二極管，從而防止負(fù)載波動引起的浪涌電壓;但是，這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。啟動或切換感性負(fù)載期間，因?yàn)閿嚅_電池，從而產(chǎn)生尖峰電壓或瞬變，如不糾正，這些瞬變會沿著電力線傳輸，導(dǎo)致個人電子設(shè)備和傳感器出現(xiàn)故障或永久性破壞車輛電子系統(tǒng)，從而影響整體可靠性。

汽車瞬態(tài)浪涌(非ESD)標(biāo)準(zhǔn)TPSMA6L

Littelfuse是瞬態(tài)電壓抑制二極管產(chǎn)品的主要供應(yīng)商。LittelfuseTPSMB和TPSMA6L系統(tǒng)瞬態(tài)電壓抑制二極管可為敏感電子設(shè)備提供二次瞬態(tài)電壓保護(hù)、因負(fù)載變化引起的瞬變和其它瞬變電壓事件。汽車級TVS系列以小封裝提供優(yōu)越的電氣性能，允許設(shè)計者升級他們的電路保護(hù)，而勿須更改其現(xiàn)有設(shè)計包裝，或在新電路布局中，提供更有力的保護(hù)方案。

圖1 車輛系統(tǒng)受到瞬態(tài)浪涌危害

交流發(fā)電機(jī)/調(diào)壓器組裝(實(shí)際電路全波整流)

圖2 車輛電氣系統(tǒng)中大部分的瞬變由交流發(fā)電機(jī)造成

12V/24V系統(tǒng)中，負(fù)載變化引發(fā)的電壓波動要求高能瞬態(tài)電壓抑制二極管。

汽車市場有兩大主要標(biāo)準(zhǔn)，概述了瞬態(tài)浪涌的防護(hù)：日本、美國和國際市場的JASO和ISO7637-2(浪涌)測試。JASO A-1 闡述了14V車輛系統(tǒng)的測試條件;JASO D-1闡述了27V車輛的測試條件。 以下測試標(biāo)準(zhǔn)是國際和美國的測試標(biāo)準(zhǔn)，包括負(fù)載變化、開關(guān)瞬變和靜電放電威脅。

國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 7637：

• 適用于公路車輛— 通過傳導(dǎo)和耦合進(jìn)行電氣干擾。

美國國家標(biāo)準(zhǔn)：

• SAE(汽車工程師學(xué)會)J1113

• GM 9105、ES-F2af-1316-AA 福特 (偉世通)

關(guān)于ISO7637-2 脈沖的更多信息：

• 汽車電磁兼容瞬變要求

圖3a 不同脈沖的浪涌波形及其大小

汽車環(huán)境測試級別

表 1 各脈沖 ISO7637-2 的測試級別

• 各脈沖的四種性能級別

–不同 o/c 電壓

–負(fù)極和正極

–脈沖持續(xù)時間 0.1–400ms

–單一脈沖和脈沖串

–瞬變電壓抑制及其工作模式

圖 3b 瞬態(tài)電壓抑制二極管被用于各種汽車系統(tǒng)用作分流/瞬態(tài)浪涌保護(hù)器

如圖3所示，瞬態(tài)電壓抑制二極管TPSMA6L15A被置放于電子控制單元、傳感器、安全氣囊、控制器、電機(jī)等等之前的保護(hù)。交流發(fā)電機(jī)向電子設(shè)備供電時，瞬態(tài)電壓抑制二極管將防止不希望的瞬變，從而允許直流操作12-14V電壓的電氣系統(tǒng)。 汽車總線保護(hù)

目前最流行的通信總線標(biāo)準(zhǔn)是CAN和LIN母線。

CAN總線(控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò))是一種汽車總線標(biāo)準(zhǔn)，旨在允許微控制器和設(shè)備在車輛內(nèi)相互通信，而勿須主機(jī)。

CAN 總線是一種以信息為導(dǎo)向的協(xié)議，專門為汽車應(yīng)用程序設(shè)計，但目前同樣在其它區(qū)域使用，如航空航天、工業(yè)自動化和醫(yī)療設(shè)備。

流行的高速CAN總線協(xié)議屬于ISO11898-2，在嚴(yán)酷環(huán)境下，該區(qū)別協(xié)議適用于高速(1.0Mbps)和中速(125Kbps)的應(yīng)用程序。

ISO11898-2母線由CAN_H 和 CAN_L數(shù)據(jù)線以及共同接地信號組成。其有12V和24V系統(tǒng)，配備不同的總線電壓。

表 2 高速 CAN 規(guī)范

LIN (本地連接網(wǎng)絡(luò))總線標(biāo)準(zhǔn)是串行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用于車輛元件之間的通信。隨著車輛中技術(shù)和設(shè)施實(shí)現(xiàn)的增長，引發(fā)對廉價串行網(wǎng)絡(luò)的需求，因?yàn)槭褂肅AN母線實(shí)現(xiàn)汽車中各元件的通信太昂貴。歐洲汽車制造商開始使用不同串行通信拓?fù)?，?dǎo)致兼容性問題。

新LIN規(guī)范首次完全執(zhí)行版本(LIN版本1.3)于2002年11月出版。2003年9月，引入版本2.0擴(kuò)張其兼容性，并提供額外的診斷特點(diǎn)。

LIN同樣可被用在車輛電源線，配備特殊DC-LIN收發(fā)器，這在目前汽車世界中很常見。

表 3 LIN 母線應(yīng)用程序

CAN 和 LIN母線應(yīng)用程序之間的差異

控制區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(CAN)系統(tǒng)處理自動力方向盤到臨界驅(qū)動列車引擎計算機(jī)和傳輸間通信的所有事務(wù)。

本地網(wǎng)絡(luò)連接(LIN)系統(tǒng)處理簡單的機(jī)電功能，如移動電動座椅和切換巡航控制。

汽車世界中，對CAN/LIN 母線的威脅

由于CAN/LIN母線是汽車內(nèi)各類控制和監(jiān)控功能的雙線式通信總線，浪涌進(jìn)入兩條電線中的可能性極大，從而造成CAN/LIN收發(fā)器故障。以下是這兩個總線的保護(hù)方法。

CAN 母線保護(hù)示意圖

圖 4 CAN 總線保護(hù)

如圖4所示，TPSMB30CA瞬態(tài)電壓抑制二極管目的是在共模(配備24V系統(tǒng))中保護(hù)兩條CAN母線，免受浪涌事件影響。TPSMB24CA是一根600W雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管，25.6V反向平衡電壓和41.4V最大嵌位電壓。保護(hù)CAN母線而勿須削弱CAN信號是非常理解的。12V CAN系統(tǒng)中，使用兩根TPSMB15CA瞬態(tài)電壓抑制二極管，而不使用TPSMB24CA。

LIN 母線保護(hù)示意圖

圖5 LIN 總線保護(hù)

LIN收發(fā)器的信號范圍是+24 /–15V，數(shù)據(jù)率是2.4kbps 至 20kbps。如圖5所見，需要雙向非對稱瞬態(tài)電壓抑制二極管配置，從而在不同模式中，保護(hù)兩根電線。

TPSMA6L24A/TPSMA6L15A 瞬態(tài)電壓抑制二極管連接反串行模式中，以便出現(xiàn)浪涌事件時，保護(hù)兩根電線。TPSMA6L瞬態(tài)電壓抑制二極管是一個600W器件，安置在小型DO-221AC包裝中。相同功率處理能力的可選解決方案應(yīng)是增加一個TPSMB30CA(雙向)，以保護(hù)LIN總線。 ISO763-2 脈沖 5a測試

脈沖5a在力特33V VBR(飽和電壓)瞬態(tài)電壓抑制二極管的測試如下。

表 5 ISO7637-2脈沖 5a中，關(guān)于力特瞬態(tài)電壓抑制二極管的可靠性測試報告

圖6 測試波形和示波器屏幕

圖7 測試電壓30V和電流11.34A

圖8 測試電壓35V和電流18.85A

圖9 測試電壓 36V

結(jié)果表明，33V VBR瞬態(tài)電壓抑制二極管就操作而言，10次均通過ISO7637-2脈沖5中測試標(biāo)準(zhǔn)。測試前后，啟動電壓的變化非常小，可忽略不計(<0.2%)。

瞬態(tài)電壓抑制術(shù)語

反向工作電壓

使用單向瞬態(tài)電壓抑制二極管的情況下，反向工作電壓是“堵塞方向”中適用的最大峰值電壓，沒有明顯電流。雙向瞬變的情況下，可適用兩個方向。其具有相同的定義，即最大關(guān)斷狀態(tài)電壓或最大工作電壓。

啟動電壓

指定DC測試電流中測量的電壓，通常是1mA。通常定義指定最小或最大值。

峰值脈沖功率

以瓦或千瓦表示，1ms脈沖寬度。IPP乘以VCL。

最大嵌位電壓(VC或VCI)

經(jīng)受到電大峰值脈沖電流時，整個保護(hù)器測量的最大電壓。

峰值脈沖電流(IPP)

峰值脈沖電流(IPP)確認(rèn)瞬態(tài)電壓抑制二極管可抵擋不受損壞的最大電流。所需IPP僅可通過區(qū)分峰值瞬變電壓除以電源阻抗決定。注意瞬態(tài)電壓抑制二極管的失效是短路;如果因瞬變大于數(shù)據(jù)表規(guī)范，而使瞬態(tài)電壓抑制二極管出現(xiàn)故障，電路仍是受保護(hù)的。