保護(hù)汽車電子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)線與電源線

前言
今天，汽車電子設(shè)備在整車中所占的比例相當(dāng)大。這些電子模塊雖然為汽車用戶帶來了舒適性和安全性，但與此同時(shí)，從汽車環(huán)境中電子模塊的可靠性來分析，也產(chǎn)生了一些不容忽視的問題。

因?yàn)殡娮幽K對電磁干擾(EMI)、靜電放電(ESD)和其它電氣干擾(汽車本身是這些危害的源頭)十分敏感，所以在汽車環(huán)境中使用電子模塊時(shí)必須慎重考慮。針對當(dāng)前汽車常見的電氣危害，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織出臺了多套電氣保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。汽車制造商和供應(yīng)商必須考慮這些標(biāo)準(zhǔn)，而只有在電子模塊中增加保護(hù)元器件，才能履行這些標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的主要責(zé)任。例如，車載電子模塊必須承受抗ISO7637-2和ISO10605兩大國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電磁干擾和ESD瞬變電壓。

汽車環(huán)境中的電氣危害

汽車環(huán)境本身包括很多電氣危害的源頭，汽車的各種零部件，如點(diǎn)火開關(guān)、繼電器觸點(diǎn)、交流發(fā)電機(jī)、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(dǎo)性危害直接出現(xiàn)在線束內(nèi)；輻射性危害則直接影響電子模塊。這些由汽車環(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(shù)據(jù)線和電源線。

電氣危害的傳播

在汽車環(huán)境內(nèi)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)伴隨著極高的電壓斜率dV/dt。有關(guān)這些電氣危害的主要標(biāo)準(zhǔn)是ISO7637-2和ISO10605，有時(shí)還會(huì)參照IEC61000-4-2標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槟承S商在ISO10605標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布前一直使用ESD標(biāo)準(zhǔn)。

ISO7637-2是與電源線應(yīng)用相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)；ISO10605 (某些廠商使用IEC61000-4-2)是關(guān)于所有的電子模塊的配件如電位計(jì)、液晶顯示屏、按鈕和數(shù)據(jù)線連接器的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1簡要描述了ISO7637-2和汽車電源線上的主要電涌。

數(shù)據(jù)線和電源線應(yīng)用

數(shù)據(jù)線和電源線的限制因素不同。數(shù)據(jù)線應(yīng)用通常有低線路電容的限制，這是高速數(shù)據(jù)線功能所要求的，同時(shí)，數(shù)據(jù)線還要求高ESD保護(hù)性能。因此，選擇一個(gè)低電容和高ESD防護(hù)性能都兼顧的保護(hù)電路比較困難。

另一方面，雖然電源線應(yīng)用不需要低電容，但是，因?yàn)镮SO7637-2標(biāo)準(zhǔn)施加各種脈沖，找到最適合的保護(hù)元器件也非易事。例如，甩負(fù)載電涌與繼電器開關(guān)產(chǎn)生的瞬變事件就要使用不同的保護(hù)元器件。

數(shù)據(jù)線保護(hù)

以汽車音響設(shè)備的USB配件為例來探討一下USB的保護(hù)。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(shù)據(jù)必須使用一個(gè)專用的保護(hù)元器件。因?yàn)閁SB數(shù)據(jù)線的數(shù)據(jù)傳輸速率通常很高(480Mb/s)，為了不降低正常工作信號的強(qiáng)度，就必須使用一個(gè)低電容的保護(hù)元器件，同時(shí)由它來抑制±25kV ESD的ESD電涌(ISO10605)。使用圖2的拓?fù)淇梢栽诘碗娙菖c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(hù)元器件。它由幾支采用軌對軌結(jié)構(gòu)的二極管組成，本身具有低電容的特性。內(nèi)部鉗位器件為兩條數(shù)據(jù)線提供±25kV ESD (ISO10605)保護(hù)功能，以及為Vbus電源線提供保護(hù)功能。

假設(shè)軌對軌保護(hù)器件每條線的電容為2.5pF，預(yù)測這個(gè)保護(hù)拓?fù)涞念l響如圖3所示。

圖3中截止頻率大約為5GHz，遠(yuǎn)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。 

還有一種方法可以檢查這個(gè)軌對軌保護(hù)元器件對USB協(xié)議正常工作模式的影響，就是通過圖4的眼圖響應(yīng)來分析信號數(shù)據(jù)位的完整性。

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

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

如果繼續(xù)使用這個(gè)2.5pF內(nèi)部電容的軌對軌保護(hù)元器件，假設(shè)內(nèi)部鉗位電壓(Vbr擊穿電壓)為6V，則可以預(yù)測空氣放電響應(yīng)ESD ±25kV ISO10605 (150pF/330)。當(dāng)施加+25kV的ESD電涌時(shí)，模塊電子側(cè)的剩余過壓大約為+35V；當(dāng)施加-25kV的ESD電涌時(shí)，模塊電子側(cè)的剩余過壓大約為30V 。

電源線保護(hù)

車載模塊的電源線保護(hù)是在汽車環(huán)境中需要關(guān)注的另一個(gè)問題，這個(gè)問題涉及ISO7637-2標(biāo)準(zhǔn)。

例如，為滿足ISO7637-2標(biāo)準(zhǔn)，特別是圖1中的1、2、3a和3b的脈沖要求，只使用一個(gè)瞬變電壓抑制器(TVS)即可有效保護(hù)車載模塊。

電源線保護(hù)拓?fù)淙鐖D5所示。

當(dāng)承受圖1中的1、2、3a和3b的脈沖時(shí)，該保護(hù)電路的特性如圖6、圖7、圖8、圖9和圖10所示。

          圖6 在脈沖1測試過程中      圖7 在脈沖1測試過程中，在不同

通過TVS上的電壓和電流    的時(shí)基內(nèi)通過TVS上的電壓和電流 

 
 圖8 在脈沖2測試過程中         圖9 在脈沖3a測試過程中

通過TVS上的電壓和電流         通過TVS上的電壓和電流 

我們要解決的問題是根據(jù)所要消除的電涌來確定保護(hù)元器件的參數(shù)。以圖8中的ISO7637-2 脈沖2為例，不難看出，抑制器上的鉗制電壓大約是30V，峰值脈沖電流 (Ip)大約是12A，在Ip/2點(diǎn)測得電流脈沖時(shí)長(tp)是4μs。因此，可判定TVS必須消耗360W的最大脈沖功率(Pp) 。所有這些Pp、Ip和tp值是有用的，因?yàn)樗鼈兛梢詭椭容^TVS數(shù)據(jù)表中的峰值脈沖功率對指數(shù)脈沖時(shí)長的曲線，以確保TVS在應(yīng)用的限制范圍內(nèi)。

結(jié)論

以SMAJ24A為例，從產(chǎn)品數(shù)據(jù)表摘取這些參數(shù)與圖11的曲線進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)SMAJ24A符合ISO7637-2脈沖2測試的要求，可承受長達(dá)1.2ms的360 W指數(shù)脈沖，這個(gè)數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于ISO7637-2脈沖2電涌強(qiáng)制的4μs時(shí)長。

圖11 峰值脈沖功率對指數(shù)脈沖時(shí)長曲線(Tj initial=25℃)

汽車環(huán)境是電氣危害的主要源頭，電子設(shè)備越來越容易受到干擾，所以在設(shè)計(jì)電子模塊時(shí)，必須慎重考慮電氣危害。為了確保電子模塊和系統(tǒng)的安全，防護(hù)汽車內(nèi)部產(chǎn)生的各種電氣危害，使用保護(hù)元器件成為了一種常用的方法。