保護汽車電子系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)線與電源線

前言
今天，汽車電子設備在整車中所占的比例相當大。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，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。

因為電子模塊對電磁干擾(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必須慎重考慮。針對當前汽車常見的電氣危害，國際標準化組織出臺了多套電氣保護標準。汽車制造商和供應商必須考慮這些標準，而只有在電子模塊中增加保護元器件，才能履行這些標準所規(guī)定的主要責任。例如，車載電子模塊必須承受抗ISO7637-2和ISO10605兩大國際標準規(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，如點火開關、繼電器觸點、交流發(fā)電機、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)生的電氣危害將會在兩個方面影響電子模塊：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，同時伴隨著極高的電壓斜率dV/dt。有關這些電氣危害的主要標準是ISO7637-2和ISO10605，有時還會參照IEC61000-4-2標準，因為某些廠商在ISO10605標準發(fā)布前一直使用ESD標準。

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

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)線和電源線應用

數(shù)據(jù)線和電源線的限制因素不同。數(shù)據(jù)線應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，數(shù)據(jù)線還要求高ESD保護性能。因此，選擇一個低電容和高ESD防護性能都兼顧的保護電路比較困難。

另一方面，雖然電源線應用不需要低電容，但是，因為ISO7637-2標準施加各種脈沖，找到最適合的保護元器件也非易事。例如，甩負載電涌與繼電器開關產(chǎn)生的瞬變事件就要使用不同的保護元器件。

數(shù)據(jù)線保護

以汽車音響設備的USB配件為例來探討一下USB的保護。USB接口的觸點部分可能受到ESD瞬變事件的影響，因此，USB數(shù)據(jù)必須使用一個專用的保護元器件。因為USB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度，就必須使用一個低電容的保護元器件，同時由它來抑制±25kV ESD的ESD電涌(ISO10605)。使用圖2的拓撲可以在低電容與高效ESD抑制能力之間找到平衡點。

這個辦法的實質(zhì)是在USB接口附近連接一個保護元器件。它由幾支采用軌對軌結構的二極管組成，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)保護功能，以及為Vbus電源線提供保護功能。

假設軌對軌保護器件每條線的電容為2.5pF，預測這個保護拓撲的頻響如圖3所示。

圖3中截止頻率大約為5GHz，遠離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軌對軌保護元器件對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。

軌對軌保護解決方案的另一個優(yōu)點是在插接外部配件時（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2.5pF內(nèi)部電容的軌對軌保護元器件，假設內(nèi)部鉗位電壓(Vbr擊穿電壓)為6V，則可以預測空氣放電響應ESD ±25kV ISO10605 (150pF/330)。當施加+25kV的ESD電涌時，模塊電子側的剩余過壓大約為+35V；當施加-25kV的ESD電涌時，模塊電子側的剩余過壓大約為30V 。

電源線保護

車載模塊的電源線保護是在汽車環(huán)境中需要關注的另一個問題，這個問題涉及ISO7637-2標準。

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

電源線保護拓撲如圖5所示。

當承受圖1中的1、2、3a和3b的脈沖時，該保護電路的特性如圖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點測得電流脈沖時長(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，因為它們可以幫助比較TVS數(shù)據(jù)表中的峰值脈沖功率對指數(shù)脈沖時長的曲線，以確保TVS在應用的限制范圍內(nèi)。

結論

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1.2ms的360 W指數(shù)脈沖，這個數(shù)值遠遠高于ISO7637-2脈沖2電涌強制的4μs時長。

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

汽車環(huán)境是電氣危害的主要源頭，電子設備越來越容易受到干擾，所以在設計電子模塊時，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，防護汽車內(nèi)部產(chǎn)生的各種電氣危害，使用保護元器件成為了一種常用的方法。