新一代汽車電路的保護(hù)方案

中心議題：
 
探討新一代汽車電路的保護(hù)方案
解決方案：
 
將分布式架構(gòu)和可復(fù)位聚合物正溫度系數(shù)過(guò)流保護(hù)器件結(jié)合

使用了小電容聚合物ESD(PESD)器件

提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少二氧化碳排放的全球化行動(dòng)向汽車行業(yè)提出了巨大的挑戰(zhàn)，減輕汽車重量是目前制造商采取的最常見(jiàn)策略之一。由于電動(dòng)汽車(EV)和混合動(dòng)力汽車(HEV)也可用于解決全球的能源與碳排放危機(jī)，汽車制造商和電池制造商正在迅速開發(fā)新的材料和解決方案以推進(jìn)這些技術(shù)的發(fā)展。

聯(lián)網(wǎng)生活方式也已經(jīng)滲透到汽車中，并已極大地影響新的汽車設(shè)計(jì)。消費(fèi)者需求和競(jìng)爭(zhēng)壓力迫使汽車制造商在汽車上增加了越來(lái)越多的功能和特性，這些功能和特性進(jìn)而影響到汽車的電子/電氣架構(gòu)和所用的元器件。

更環(huán)保、更輕的設(shè)計(jì)

對(duì)今天的汽車工程師來(lái)說(shuō)，提高燃油經(jīng)濟(jì)性和減少溫室氣體(GHG)排放已經(jīng)成為重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。顯而易見(jiàn)，電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)的解決方案，但減輕汽車重量的技術(shù)也能提供一些明顯的好處，因?yàn)闇p輕汽車重量和滾動(dòng)阻力可以降低對(duì)能源的需求，并有效地減少二氧化碳排放。

除了提高元器件集成度和使用先進(jìn)材料有助于汽車制造商減輕汽車重量之外，線束重量也是一個(gè)讓人特別感興趣的領(lǐng)域，并已經(jīng)吸引設(shè)計(jì)工程師重新審視他們的設(shè)計(jì)方案，以防止汽車電源功能因大電流故障情況而受損。

設(shè)計(jì)工程師面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)是保留和/或增加電路保護(hù)器件，它們有助于保護(hù)汽車電子系統(tǒng)因可能的過(guò)載情況而受損，同時(shí)降低總體成本和重量。由于一輛汽車通常可能包含數(shù)百個(gè)電路和超過(guò)一公里的導(dǎo)線，布線系統(tǒng)的復(fù)雜性可能使得傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，并可能導(dǎo)致不必要的過(guò)度設(shè)計(jì)。

許多制造商已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，將分布式架構(gòu)和可復(fù)位聚合物正溫度系數(shù)(PPTC)過(guò)流保護(hù)器件結(jié)合使用可以顯著減輕汽車重量。圖1和圖2顯示了傳統(tǒng)集中式架構(gòu)和分布式架構(gòu)之間的差異。集中式方案要求每個(gè)模塊由接線盒中一個(gè)獨(dú)立的熔絲保護(hù)，見(jiàn)圖中黃 色部分。在這種“星形”架構(gòu)中，每個(gè)功能也要求獨(dú)立的導(dǎo)線，因而增加了重量和成本。相反，在由電源總線供電多個(gè)接線盒的分布式架構(gòu)中，從接線盒出來(lái)的每根導(dǎo)線都可以得到一個(gè)可復(fù)位電路保護(hù)器件的保護(hù)。

過(guò)去，機(jī)械強(qiáng)度規(guī)定汽車中使用的最細(xì)導(dǎo)線直徑為0.35平方毫米(22 AWG)，它能承載的電流范圍從8A至10A。這個(gè)限制在一定程度上抵消了低電流信號(hào)電路(如8A以下)中使用PPTC器件帶來(lái)的好處。不過(guò)，目前的導(dǎo)線材料技術(shù)可以在給定載流能力下支持更小直徑的導(dǎo)線，包括直徑0.13平方毫米(26 AWB)、最大電流為5A的導(dǎo)線。當(dāng)使用分布式架構(gòu)和PPTC過(guò)流保護(hù)時(shí)，這種先進(jìn)技術(shù)可以減輕更多的重量。

可替代的電源系統(tǒng)

雖然電動(dòng)汽車完全成為主流還需要一定的時(shí)間，但一些制造商深信面向大眾市場(chǎng)的零排放汽車時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。當(dāng)談到針對(duì)未來(lái)交通開發(fā)的技術(shù)時(shí)，電動(dòng)汽車和電池產(chǎn)業(yè)毫無(wú)疑問(wèn)是焦點(diǎn)所在，當(dāng)前研發(fā)工作重點(diǎn)放在提高電池存儲(chǔ)容量和加快電池充電時(shí)間。通過(guò)與汽車和電池制造商的合作，TE Connectivity公司目前正在為這一新興市場(chǎng)領(lǐng)域開發(fā)新的技術(shù)和解決方案。

圖3顯示了PPTC技術(shù)如何應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車電池模塊中的過(guò)溫檢測(cè)。該例使用了一個(gè)熱敏傳感器陣列來(lái)監(jiān)視單節(jié)電池故障。由于給PPTC器件加熱會(huì)使器件電阻迅速非線性上升，因此這種解決方案可以實(shí)現(xiàn)快速、精確的電池溫度感測(cè)。如圖所示，一節(jié)發(fā)熱的電池由于迅速上升到指定檢測(cè)溫度而被“標(biāo)記”了出來(lái)。

功率電子應(yīng)用在興起

越來(lái)越多的傳統(tǒng)機(jī)械功能正在升級(jí)到電子應(yīng)用，如電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向和電子停車系統(tǒng)。這些大功率、高溫度應(yīng)用對(duì)功率電子系統(tǒng)提出了更高的要求，當(dāng)powerFET、電容、電阻或IC等功率器件由于長(zhǎng)期暴露在苛刻環(huán)境下而發(fā)生故障時(shí)，有可能產(chǎn)生嚴(yán)重的熱問(wèn)題。

提高功率器件性能、使用散熱更均勻的設(shè)計(jì)技術(shù)、采用新的散熱材料是目前已經(jīng)提出的用于增強(qiáng)熱管理性能的一些解決方案。不過(guò)，設(shè)計(jì)工程師仍在很大程度上依賴二級(jí)保護(hù)來(lái)阻止因功率器件故障或腐蝕導(dǎo)致過(guò)熱而產(chǎn)生的熱失控。

最常用的方法是使用熱熔絲/熱切斷(TCO)或熱開關(guān)。這些器件都能向設(shè)計(jì)工程師提供交流和直流應(yīng)用中寬泛和特定的溫度激活特性，但在電路板組裝過(guò)程中存在一些問(wèn)題。因?yàn)樵絹?lái)越多的PCB只使用表面貼裝器件(SMD)，而使用通孔器件需要專門的安裝過(guò)程，進(jìn)而帶來(lái)額外的成本和復(fù)雜性。此外，標(biāo)準(zhǔn)器件可能無(wú)法提供汽車應(yīng)用所需的耐用性和可靠性。而能夠用于汽車環(huán)境的器件經(jīng)過(guò)了完整的測(cè)試，以滿足嚴(yán)格的沖擊和振動(dòng)規(guī)范要求，并提供合適的直流額定值。

泰科電子最近推出了一款適用于汽車應(yīng)用的回流熱保護(hù)(RTP)器件，這是一種可以切斷電流的二級(jí)保護(hù)器件，有助于防止因功率器件故障和PCB走線過(guò)熱而出現(xiàn)的損害。這種解決方案通常消除了對(duì)厚重散熱器、冗余FET和繼電器的需求。而這些需求廣泛地存在于電子控制單元、HVAC、ABS、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、DC/DC轉(zhuǎn)換器和PTC加熱器中。

如圖4所示，當(dāng)RTP器件靠近powerFET安裝時(shí)，它能夠追蹤FET溫度。當(dāng)FET超過(guò)正常工作溫度極限并出現(xiàn)過(guò)溫情況時(shí)，RTP器件將激活，并斷開電源線路。

使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的貼片和無(wú)鉛回流焊設(shè)備可以快速方便地安裝這種表面貼裝器件，并且這種器件可以承受峰值溫度遠(yuǎn)超過(guò)200℃的多次回流焊工藝。在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)檢測(cè)到溫度超過(guò)200℃時(shí)，它就會(huì)切斷電流。

為了在經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)回流焊安裝后還能在現(xiàn)場(chǎng)200℃溫度時(shí)打開，RTP器件使用一次性電子激活工藝獲得熱敏特征。在實(shí)施激活程序之前，器件可以承受至少3次無(wú)鉛回流焊而不打開。激活程序可以在系統(tǒng)加電時(shí)自動(dòng)實(shí)施，也可以在制造后期的線路系統(tǒng)測(cè)試期間實(shí)施。

汽車聯(lián)網(wǎng)

在“信息娛樂(lè)高速公路”的大方向下，兩大清晰的趨勢(shì)正在快速改變汽車設(shè)計(jì)的面貌：車載娛樂(lè)和無(wú)線連接。汽車制造商以及移動(dòng)設(shè)備制造商敏銳地意識(shí)到消費(fèi)者越來(lái)越高的要求：以家庭或辦公室中使用的同樣方法連接汽車內(nèi)的數(shù)字設(shè)備。

今天的汽車已經(jīng)變成了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，集成各種特性和功能，包括嵌入式控制、移動(dòng)媒體和無(wú)線選項(xiàng)。信息娛樂(lè)、遠(yuǎn)程信息處理、安全和電子控制等應(yīng)用要求使用多種成熟的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，如LIN、CAN、MOST、IDB-1394、FlexRay、byteflight、用于嵌入式控制的藍(lán)牙等等。

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)為能夠與汽車及其系統(tǒng)交互的移動(dòng)電子設(shè)備創(chuàng)建了新的市場(chǎng)機(jī)會(huì)，如蜂窩電話、MP3播放器和導(dǎo)航設(shè)備。保護(hù)通信接口免受靜電放電(ESD)以及由天線和儀器的無(wú)線(RF)接口引起的其它電壓浪涌損害是一個(gè)關(guān)鍵的設(shè)計(jì)問(wèn)題。

對(duì)于聚合物增強(qiáng)型齊納二極管(PolyZen器件)如何保護(hù)藍(lán)牙模塊的電源輸入端口。該器件提供集成式過(guò)流和過(guò)壓電路保護(hù)功能，還使用了小電容聚合物ESD(PESD)器件，用于防止天線受到ESD浪涌而損壞。

發(fā)展前景

汽車設(shè)計(jì)中越來(lái)越多的功率器件和高數(shù)據(jù)速率連接使得人們更加迫切地需要可靠、具有成本效益的電路保護(hù)解決方案。TE Connectivity公司的研究、設(shè)計(jì)和應(yīng)用工程師團(tuán)隊(duì)正在與汽車制造商、集成商和OEM廠商合作開發(fā)所需的元器件，從而推進(jìn)各種新技術(shù)、支持新興應(yīng)用，并幫助汽車制造商滿足苛刻的安全標(biāo)準(zhǔn)。