保護(hù)汽車電子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)線與電源線

1、保護(hù)汽車電子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)線與電源線.、八、-刖言 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 帶來了舒適性和平安性，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)生了一些不容無視的問題。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IS01060

2、5兩大國際標(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)；輻射性危害那么直接影響電子模塊。 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IS010605,有時(shí)還會參照IEC61000-4

3、-2標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槟承?廠商在IS010605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)；010605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呆護(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

4、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。一 _ _ 3琴 H-tfac圖2如何保護(hù)高遠(yuǎn)數(shù)據(jù)娃桿數(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)局部可 能受到ESD舜變事件的影響，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)由它來抑制土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)方法的實(shí)

5、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USB480Mb/s收發(fā)器的正常工作頻率，因此, USB收發(fā)器可以平安工作。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

6、平安的。 Wt電WIa*S4圖4眼圖響應(yīng)弓U5B 2.0模板f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,那么可以預(yù)測空氣放電響應(yīng) ESD25kV IS010605 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，

7、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CJE一夷一Eh圖虧電子橈塊電源線保護(hù)拓?fù)?，?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。Vs (V/ill=2A/d50nAJ1 加圧*沁B 6在虧沖1測試過程中 通過TVS上關(guān)電玨和電涼圖7在脈沖1測試過程中，在不同的時(shí)基內(nèi)酬TVS上的電壓和電流匸l/=5JdSUd1|A.Bd圖9在脈沖丸測試過趕中丄圖3在脈沖2測試過程中HH IV5上的電壓和電流通過TV5上的電壓和電流*V 10V

8、 JIE yd耐Zd圏10在ISO7閃陀中測試過程中通過TV5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4卩s。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)SMAJ24/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4s時(shí)長。gl11嵯值