汽車電路保護(hù)器件設(shè)計(jì)原理

新型車載信息娛樂系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)提供更多的內(nèi)容，讓你體驗(yàn)到更高質(zhì)量的音頻和視頻節(jié)目，并且改善了個(gè)人通信裝置的連接性能。為了適應(yīng)很高的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足當(dāng)前通信的要求，一定要保護(hù)這種設(shè)備，避免因?yàn)轭櫩驼`用、危險(xiǎn)性的環(huán)境和電源波動(dòng)而造成損壞。

在信息娛樂系統(tǒng)中廣泛使用自復(fù)PPTC(聚合物正溫度系數(shù))器件，它們保護(hù)精密的電子元件及周邊設(shè)備。在自復(fù)功能不可取或不實(shí)際的應(yīng)用系統(tǒng)中，通常是使用片式表面貼裝熔斷器。

信息娛樂設(shè)備也容易因?yàn)檫^高的瞬變電壓而損壞，其中包括它所在的工作環(huán)境及周邊設(shè)備產(chǎn)生的靜電放電(ESD)脈沖。往往使用ESD保護(hù)器件、金屬氧化物變阻器(MOV)和齊納二極管來保護(hù)汽車電子設(shè)備，例如天線、背光加熱器、電池、按鍵、電路板上的印制線、CD/DVD播放器，數(shù)據(jù)線端口、硬盤驅(qū)動(dòng)器以及輸入/輸出端口和觸按屏。

對(duì)于汽車電路保護(hù)器件在設(shè)計(jì)上的考慮

# PPTC過流/過熱保護(hù)

廣為流行的PPTC器件具有自復(fù)功能，可以把它裝在汽車中便于接近的位置。它有很多種不同電氣性能和尺寸的產(chǎn)品，便于實(shí)現(xiàn)各種精確的保護(hù)設(shè)計(jì)方案。在選擇PPTC器件時(shí)，主要考慮的問題是，器件的保持電流額定值要和設(shè)備在正常工作時(shí)的初級(jí)電流匹配。

# ESD保護(hù)器件

高速輸入/輸出端口要求使用電容小的ESD保護(hù)器件，盡量保持信號(hào)質(zhì)量不會(huì)下降。選用的器件應(yīng)當(dāng)適合高速數(shù)據(jù)傳輸線路和無線電頻率數(shù)據(jù)線路，能夠經(jīng)受無數(shù)次的ESD瞬變電壓。要符合RoHS 和IEC61000-4-2的要求，電容要小，觸發(fā)電壓要低，響應(yīng)時(shí)間要短，這些也是ESD保護(hù)器件的重要特性。

# 表面貼裝熔斷器

電流大、尺寸小的表面貼裝熔斷器有熔斷快和慢的兩種產(chǎn)品，它們的熔斷特性都應(yīng)當(dāng)干凈利落，其中包括熔斷過程應(yīng)是在封裝里面進(jìn)行。它們抑制電弧的特性應(yīng)當(dāng)良好，并且能夠承受沖擊和振動(dòng)。

# 金屬氧化物變阻器

金屬氧化物變阻器(MOV)有各種直徑和各種電壓范圍的產(chǎn)品。MOV器件可以流過很大的電流，能夠吸收很大的能量，從而實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)。在選擇MOV時(shí)，是根據(jù)箝位電壓電平(受抑制的電壓額定值)，以及響應(yīng)時(shí)間。

直流電源端口的保護(hù)

汽車電源總線很“臟”，這是大家都知道的。汽車電源的額定值是12V，但是在正常工作時(shí)，會(huì)在8 V至16V的范圍內(nèi)變化。還有，電池的電流會(huì)超過100安培，而且會(huì)因?yàn)槔^電器動(dòng)作或者熔斷器熔斷而中斷，因而在電源總線上產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓尖脈沖，電壓會(huì)增大5倍以上。

汽車電源在運(yùn)作過程中，會(huì)因?yàn)殡姵亟渝e(cuò)或者在雙電池啟動(dòng)時(shí)接到電壓高一倍( 24伏)的電池上而造成損壞。有一種情況稱作"拋負(fù)載"，它可能會(huì)在電源總線上產(chǎn)生很高的電壓。典型的第三方電源轉(zhuǎn)換器會(huì)把它濾掉一些，但是泰科電子公司的測(cè)試表明，這些電源轉(zhuǎn)換器抑制瞬變電壓的能力變化很大。通常USB接口充電的裝置一般不是針對(duì)這種類型的電壓波動(dòng)而設(shè)計(jì)的，因而需要過壓保護(hù)。

在車內(nèi)充電的便攜設(shè)備對(duì)過流和過壓保護(hù)的需求越來越大，泰科電子的新型 PolyZen ?器件能夠滿足它的需要。這種器件與類似于齊納二極管的保護(hù)器件一起使用時(shí)，具有協(xié)同保護(hù)的作用，能夠承受功率非常高的故障情況。

圖1：PolyZen器件能夠保護(hù)汽車周邊設(shè)備的輸入電源、直流電源以及輸出功率調(diào)節(jié)電路。

如圖1所示，微型PolyZen器件中包含一個(gè)穩(wěn)定的齊納二極管和一層非線性的電阻性PPTC層。齊納二極管能夠精密地對(duì)電壓進(jìn)行箝位，而電阻性的PPTC層會(huì)對(duì)二極管的發(fā)熱或者過電流事件作出響應(yīng)，從低電阻狀態(tài)轉(zhuǎn)變到高電阻狀態(tài)。

對(duì)于電感性電壓尖脈沖的箝位和平滑，PolyZen器件特別有效。在出現(xiàn)電感性尖脈沖時(shí)，齊納二極管把電流旁路到地，直到電壓降低到正常的工作范圍。在供電電壓出錯(cuò)的情況下，PolyZen器件對(duì)電壓進(jìn)行箝位，把過大的電流旁路到地，防止電源的錯(cuò)誤造成影響。PolyZen器件的電壓與電流響應(yīng)特性比較平坦，有利于對(duì)輸出電壓進(jìn)行箝位，即使輸入電壓和電源電流變化的情況下也能做到這點(diǎn)。

因?yàn)樵谄噾?yīng)用系統(tǒng)中電流有可能會(huì)很大，要很小心謹(jǐn)慎，保證有妥善的保護(hù)。對(duì)于選用的器件，要檢查它的IFLT最大值和Vout峰值，確保器件能夠提供所需要的保護(hù)能力。

保護(hù)電子模塊的PCB板

市場(chǎng)要求更多的電子器和更多的內(nèi)部空間，面對(duì)這個(gè)要求，汽車制造商把更多電路裝到更小的封裝里面。為了用更小和更密集的印刷電路板面積提供越來越多的功能和連接線，必須減少電路板上的印制線寬度。

許多這些控制模塊是個(gè)"黑盒子"，現(xiàn)在用來控制越來越多的大功率配件，例如電動(dòng)車窗，電動(dòng)座椅的調(diào)節(jié)，遙控車門鎖，以及無線電收音機(jī)和GPS天線。因?yàn)檫@些配件的電源是由電流很大的電路提供的，由于印刷電路板上印刷線很細(xì)，又要流過很大的電流，燒壞的可能性增大了。這個(gè)情況是有可能發(fā)生的，例如，如果一個(gè)電源地和負(fù)載斷開，它的電流就會(huì)通過電路板上一條細(xì)小的印刷線流過，這條印制線中的電流將增大。

印刷電路板上的印制線起的作用是把電流從一個(gè)地方送到另一個(gè)地方。每條印制線上可以流過的電流取決于它的橫截面積，最大的電流是I2R功耗產(chǎn)生的熱量不會(huì)把它熔斷而斷開。即使它還沒有熔化，它也有可能熱到足以損壞印刷電路板或者損壞裝在它上面的一些元件。

往往使用自復(fù)PPTC器件來保護(hù)電路板上這些細(xì)小的印刷線，因?yàn)檫@類器件能夠迅速而且有效地把電流限制在安全的數(shù)值上，而且尺寸又很小，可以直接裝到電路板上。利用這項(xiàng)技術(shù)，模塊中的每一個(gè)單獨(dú)電源電路都可以用一個(gè)PPTC器件來保護(hù)，把電流限制在一個(gè)安全的數(shù)值上，不會(huì)將它燒斷。

在圖2和圖3中對(duì)熔斷器和PolySwitch器件作了比較。這里我們假定，電路板設(shè)計(jì)人員把印制線的最高溫度規(guī)定在100℃。因此，隨著印刷線的溫度接近100℃，它上面可以流過的電流越來越小。

在圖2所示的例子是一個(gè)1盎司(35 μm )、100密耳( 2.5毫米)的印刷線，用了一個(gè)插裝PolySwitch ?器件AGR500來保護(hù)。在圖3中，印制線的寬度減少到20密耳(0.5 mm)，用一個(gè)PolySwitch系列表面貼裝器件ASMD150來保護(hù)它。

圖2：圖中比較了熔斷器和PolySwitch器件AGR500的性能。

圖3：圖中比較了熔斷器和PolySwitch 器件ASMD150的性能。

必須注意的是，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，PPTC器件的觸發(fā)電流是如何跟隨印制線上的電流。在這兩種情況中，即使可以使用熔斷器，在汽車高于有用的標(biāo)準(zhǔn)溫度下，尺寸最接近的熔斷器也不能保護(hù)它。

PPTC電路保護(hù)器件得到廣泛的采用，作為一種實(shí)用的、經(jīng)濟(jì)有效的解決辦法，在電子模塊中用作過流和/或過熱保護(hù)。在GPS、DVD或者收音機(jī)和汽車通訊信息系統(tǒng)(telematics)的電路板中，常常用這種器件來限制電流。

小結(jié)

現(xiàn)在有各種富有創(chuàng)新性的電路保護(hù)解決辦法，有各種尺寸、各種焊端的產(chǎn)品，可以幫助汽車制造商和便攜設(shè)備制造商達(dá)到汽車的嚴(yán)格要求，提高設(shè)備的可靠性，增強(qiáng)最終用戶的便利性和滿意度。利用過電流、過電壓和ESD協(xié)同保護(hù)，可以減少元件數(shù)量，提高電子元器件和網(wǎng)絡(luò)的效率和可靠性。