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汽车安全很关键,设计要从小处着眼

发布时间:2017-05-03 责任编辑:susan


【导读】不论在引擎盖下还是在驾驶室中,如今的先进芯片组对汽车固有恶劣环境中常见的电气危险格外敏感。为了保护汽车电子设备免受破坏性影响,工程师们必须高度重视电气瞬态的主要来源——交流发电机。安全是汽车设计的首要考虑。

对消费者来说,汽车是一笔不菲的投入,所以必须保护好它们。最重要的是,汽车出现安全问题,人便命悬一线。正因为如此,汽车厂家不惜采用气囊、稳定控制和胎压监测等各种安全技术。但设计的安全性远远胜过这些外在保护系统。对于汽车电子设备来说,不论大小,安全都是设计考量的核心。
 
图1.实施抛负载保护的电路
   
图2.压敏电阻为直流电压较低的汽车应用提供了高浪涌电流电路保
 
新型乘用车装备的电子设备越来越多。而我们仍然处在汽车设计巨大转变的起点:车载信息娱乐系统和车联网的出现将在未来五年使得汽车上采用的微处理器数量翻番。这自然会导致对电子设备保护方案需求的增大,尤其是在汽车那样的恶劣环境中。各种汽车电子设备,从内置显示到最新的联网技术,都容易成为各种险情的攻击对象,如开关负载或瞬态电压浪涌、静电放电和产生极端高压的其他事件。
 
现代汽车设计中,所有车载电子设备都要连接电池和交流发电机。交流发电机是电气瞬态的主要来源,其中最 糟的是抛负载。这种情况发生在电池已经断开而交流发电机正在发电、其他负载还在交流发电机环路上时。如果置之不理,电气尖峰和瞬态将沿着电线传递,导致个别电子设备和传感器故障,或永久损坏汽车的电子系统。当然,抛负载失控还会威胁车辆本身的安全性和可靠性。
 
1.如何设计完善的抛负载保护
 
电路保护器件,包括瞬态电压抑制(TVS)二极管和压敏电阻,都是对敏感电子设备提供抛负载保护的有效手段。选择TVS二极管不仅因为它们是响应时间快(钳位电压低)、漏电电流小的硅雪崩器件,还因为它们没有固有磨损系数。变阻器一般作为瞬态浪涌保护的前线方案使用。实例包括保护小型电子设备的超小型表面贴装多层压敏电阻(MLV)器件和保护小型机械设备、电源和组件的传统金属氧化物压敏电阻 (MOV)。
 
大多数现代交流发电机中,通过在扰动源上添加限流TVS二极管抑制或钳制抛负载幅度。瞬态扰动应该内部抑制 或在扰动源端子上用抑制器件(TVS二极管)抑制。作为一种最佳实践,设计人员应该将TVS二极管尽可能靠近扰动源。图1为实施抛负载保护的电路,标明了TVS二极管的设计位置。
 
2.二极管要通过AEC-Q101认证
 
汽车电子委员会(AEC)组件技术小组和其他监管组织制订了严格的指导方针,厂家在设计、生产和测试整车及组件时必须遵循这些方针。汽车行业使用的保护器件必须对瞬态环境足够鲁棒,还能钳位到足以保护集成电路的较低(电压)水平。选择针对汽车应用的TVS二极管时,工程师应查找通过AEC-Q101认证的产品,该产品适合高可靠性应用并具有适合汽车应用的峰值脉冲功率耗散额定值。应考虑用具有高峰值脉冲功率耗散额定值(如5,000W (10/1000µs)或2,200W (10ms x 150ms))的TVS二极管为敏感电子系统提供甩负荷和其他浪涌事件引起的瞬态电压保护。选择通过AEC-Q101认证的产品将保证它们兼容很多高温汽车应用。
 
图3.MOV对汽车子系统供交流发电机瞬态保护
 
交流发电机瞬态电路保护可以使用金属氧化物压敏电 阻(MOV)。为敏感电子设备提供抛负载电压瞬态保护,所 选MOV要具有高达5KA(8/20μs脉冲)的峰值浪涌电流额定 值以及可靠的能量吸收能力。工程师应选择符合工业标准 AEC-Q200 (表10)和ISO 7637-2的MOV,保证它们适应恶劣的汽车环境。
 
3.压敏电阻可以在不同情况下应用
 
压敏电阻为直流电压较低的汽车应用提供了高浪涌电流电路保护,不论这些应用在汽车的乘客舱内还是在引擎盖下。比如,MOV可以以Y形或三角形配置与交流发电机的绕组线圈连接,以钳制瞬态电压。
 
图4.MOV和TVS二极管能吸收触点电弧和继电器线圈产生的能量
 
也可以用MOV对汽车子系统(如气囊、传动系和气候控制)提供交流发电机瞬态保护。也可以作为瞬态浪涌的分流电阻使用,避免直流电源线受浪涌影响(见图3)。
 
开关继电器和线圈也能产生瞬态电压。继电器开关操作时,触点处产生电弧,而线圈可能在磁场快速消失时释放巨大的瞬态能量。这些事件可能损坏集成电路和其他敏感电子设备。MOV和TVS二极管能吸收触点电弧和继电器线圈产生的这种能量(见图4)。
 
4.结论:为什么必须符合这些标准
 
汽车电子设备越来越多,工程师需要设计出能在恶劣 环境下保证其使用寿命的正确解决方案。由于车载电子设备都与电池和交流发电机相连,所有电子设备的保护将从这里开始。TVS二极管和变阻器可根据不同情况使用,保护车上昂贵的电子设备。车辆检测时,国际标准设立了较高的安全门槛。因此,保护器件的正确选择必须达到甚至超过汽车行业制订的相关标准。
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