汽车安全设计从细微处着眼
2016/10/17 - 吴冠仪
不论在引擎盖内还是在驾驶舱中，当今的高端芯片组对恶劣车辆环境中常见的各种电气危险，极其敏感。为了保护汽车电子设备免受损坏，设计工程师需要对交流发电机内，主要的电气突波来源(如负载突降)格外重视。安全是汽车设计的关键。汽车是一笔不菲的投入，所以车主有必要呵护自己的爱车。最重要的是，汽车安全性命攸关。所以目前各汽车厂家运用了各种安全功能，包括气囊、稳定控制和胎压监测。但是安全设计远比这些外在保护系统重要。安全是车内任何电子设备的核心设计思考–大小皆如此。
目前各客用车充斥着越来越多的电子设备。而我们仍然处于汽车设计中一个巨大转变的起步阶段：随着信息娱乐和互联汽车的出现，未来5年嵌入车内的微处理器数量将增加一倍。这势必增加对恶劣环境中脆弱电子设备加以适当保护的解决方案的需求。各种车辆电子设备，从仪表板内显示幕到最新互联技术，都会受到各种危险情况的影响，如开关负载或瞬态电压冲击、静电放电和其他产生极高电压的情况。
交流发电机是电气突波的主要来源
现代的汽车设计中，所有车载电子设备都与电池和交流发电机相连。交流发电机是各种电气突波的主要来源，其中最严重的就是负载突降。发生负载突降的情形是，交流发电机和电池的连结松脱而电池尚未充电，造成发动机产生的电流仍在交流发电机电路上，如果不加以防护干预的话，发动机上产生的电流将形成电脉冲和突波，沿着电线传递，导致电子设备和传感器故障，或者永久损坏车辆电子系统。当然，负载突降失控将威胁车辆的安全和可靠性。
怎样设计正确的负载突变保护
电路保护器件，包括突波电压抑制(TVS)二极管和压敏电阻，都是敏感电子设备防范负载突波的有效手段。TVS二极管是半导体器件，选择TVS二极管不仅因为它们反应时间快(钳位电压低)和漏电电流小，而且没有固定的损耗系数。压敏电阻一般作为突波浪涌保护的初级方案使用。例如多层压敏可变电阻(MLV)器件保护小型电子器件，而中型金属氧化物压敏电阻(MOV)则用于保护小型电气设备，电源供应器及相关零件。
最现代化的交流发电机中，通过在干扰源上添加限位TVS二极管抑制或锁住负载突波幅度。干扰突波通过抑制器件(TVS二极管)在内部或在干扰源的端子上抑制。最佳的电路设计是设计工程师应将TVS二极管放在尽量靠近干扰源的地方。图一表示受到负载突波保护的电路和其中TVS二极管的位置。
图说：图一：在交流发电机中通过在干扰源上添加限位TVS二极管抑制或锁住负载突波幅度。
汽车电子设备理事会(AEC)元件技术委员会和其他安规组织已经制订了厂家在设计、生产和测试车辆和元件时要遵守的严格指导方针。汽车行业使用的保护器件必须对突波环境足够稳健，还能钳制到足以保护IC的最低水准。
针对汽车应用选择正确的TVS二极管时，设计工程师要选用符合AEC-Q101认证的产品，证明它们适合高可靠性应用并具有适合汽车应用的峰值脉冲功率等级。敏感电子系统防范因负载突波和其他浪涌事件而产生的突波电压应考虑采用峰值脉冲功率等级较高(如5,000W (10/1000µs)或2,200W (10µs x 150ms))的TVS二极管。选择AEC-Q101认证产品可保证它们适应汽车应用中所存在的高温。
防范交流发电机突波电流及电压的替代电路保护方案包括使用金属氧化物压敏电阻(MOV)。敏感电子设备防范负载突波引起的电压变动，应选择峰值浪涌电流等级高达5KA (8/20μs脉冲)以及能量吸收能力可靠的MOV产品，设计工程师应选择符合行业标准AEC-Q200 (表10)和ISO 7637-2的MOV，确保它们适应恶劣的汽车环境。
不论这些应用在汽车的车舱内还是在引擎盖内，压敏电阻为低直流电压汽车应用提供了高浪涌电流电路保护方案，例如，MOV可以在Y形或三角形配置中与交流发电机的绕组线圈连接，达到抑制突波的效果(图二)。
图说：图二：MOV可以在Y形或三角形配置中与交流发电机的绕组线圈连接，达到抑制突波的效果。
还可以用MOV保护车辆子系统(如气囊、传动系统和气候控制)的交流发电机突波。也可以作为瞬态波动的分流器使用，以便防止电源线浪涌。
开关继电器和线圈是突波电压的其他来源。典型继电器操作在继电器触电开关期间会产生电弧，而线圈会在磁场快速变动时释放明显的突波能量。这些状况都会对IC和其他敏感电子器件造成损坏。不论是继电器触电电弧产生的还是继电器磁场产生的状况，MOV和TVS二极管能吸收这种突波能量。
随着汽车内充斥的电子设备越来越多，设计工程师必须找到确保这些设备在危险情况下也能长久使用的正确方案。由于所有车载电子设备都与电池盒交流发电机相连，因此，所有电子设备的保护从这里开始。TVS二极管和压敏电阻可以在不同场景中用来帮助保护嵌入车内的昂贵电子设备。当涉及到测试时，国际标准设定了较高的安全门槛。所以，正确选择保护器件必须达到甚至超过汽车行业制订的相关规范。(本文由Littelfuse半导体事业部业务&技术开发经理Jim Colby提供，DIGITIMES吴冠仪整理。)
