過去，簡(jiǎn)單的12 V鉛酸電池是幾乎所有汽車的普遍配置，這意味著保護(hù)車輛電氣設(shè)備免受靜電放電(ESD)是一項(xiàng)相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)。然而，汽車結(jié)構(gòu)正在發(fā)生根本性的快速變化，這意味著設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在需要更廣泛的ESD保護(hù)器件選擇，以確保車輛在道路上安全運(yùn)行。

這篇博客文章探討了導(dǎo)致汽車電力系統(tǒng)供電所用板網(wǎng)電壓變化的一些因素，并討論了Nexperia符合AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)的全新ESD保護(hù)器件產(chǎn)品組合的特性，其中包括靈活的選項(xiàng)，可保護(hù)采用12 V、24 V和48 V板網(wǎng)運(yùn)行的電路板。

為何板網(wǎng)電壓不斷升高

汽車中的電氣和電子元件數(shù)量不斷增加，其所需的電量現(xiàn)已達(dá)到12 V電池系統(tǒng)的極限。合理的解決方法是增加電池電壓，為了適應(yīng)這種變化，汽車公司已經(jīng)開發(fā)出可以從24 V（現(xiàn)在通常用于重型商用車）到48 V運(yùn)行的電氣系統(tǒng)，并且被越來(lái)越多的新型混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(HEV)采用。

電池電壓不斷升高的趨勢(shì)意味著傳統(tǒng)的鉛酸電池最終可能會(huì)被鋰離子電池取代。與12 V電池相比，48 V系統(tǒng)的功率輸出和效率顯著提高。更高電壓的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，在輸出相同功率的情況下，可以降低電流水平，這意味著可以使用更細(xì)、更輕的電纜，這對(duì)電動(dòng)汽車來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的要求。

因此，對(duì)于需要消耗大量電流的動(dòng)力設(shè)備（如泵、壓縮機(jī)和懸架組件），更合適較高的電壓。配備48 V電池的車輛仍采用12 V系統(tǒng)來(lái)為電子控制單元(ECU)以及CAN和LIN等傳統(tǒng)汽車網(wǎng)絡(luò)接口供電。然而，這些系統(tǒng)的12 V電源是通過使用降壓轉(zhuǎn)換器降低48 V電池電壓來(lái)產(chǎn)生的。圖1顯示了用于描述各種電路板網(wǎng)電壓的條件。

圖1: Defining automobile battery voltage conditions

保護(hù)12 V CAN系統(tǒng)

控制器局域網(wǎng)(CAN)是一種值得信賴的傳統(tǒng)汽車通信協(xié)議，通常使用雙線雙絞線電纜來(lái)傳輸和接收串行數(shù)據(jù)（圖2）。CAN收發(fā)器在網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)議控制器和物理總線線路之間提供物理鏈路。高速CAN指定傳輸速率高達(dá)1 Mbit/s，而低速容錯(cuò)CAN指定數(shù)據(jù)速率高達(dá)500 kbit/s。CANL是指低電平CAN總線，CANH是指高電平CAN總線。在正常工作模式下，顯性態(tài)的值約為1.4 V，隱性態(tài)的值為5 V。在低功耗模式下，CANL的電壓與電池電壓相同（通常為12 V），但在正常工作模式下，顯性態(tài)電壓約為3.6 V，隱性態(tài)為0 V。為了防止ESD并確保仍能進(jìn)行通信，可以在CANH和CANL線路上應(yīng)用外部鉗位電路。Nexperia提供經(jīng)過專門設(shè)計(jì)的ESD保護(hù)器件，以保護(hù)兩條CAN總線線路免受ESD及其他瞬變現(xiàn)象造成的損壞。由于CAN網(wǎng)絡(luò)可短路接至電壓源，例如汽車電池，因此CANL和CANH線路上的ESD保護(hù)器件必須能夠耐受更高電壓電平。為了安全承受跨接啟動(dòng)條件或商用車中兩個(gè)12 V電池串聯(lián)的情況，Nexperia的ESD保護(hù)器件滿足24 V的最低要求截止電壓(VRWM)，并遵守ISO7637-2和ISO 16750-2 ESD保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2: Protecting a CAN system

保護(hù)24 V和48 V系統(tǒng)

汽車和小型車輛通常使用12 V電池電壓，而24 V板網(wǎng)通常用于卡車和商用車輛。根據(jù)ISO7637-2和ISO 16750-2 ESD保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，需要使用工作電壓通常高于32 V的ESD保護(hù)器件來(lái)保護(hù)24 V板網(wǎng)中的敏感信號(hào)線。Nexperia將新產(chǎn)品組合中的器件設(shè)計(jì)為最大反向截止電壓為36 V，并提供高達(dá)22 kV的ESD保護(hù)。該性能加上IPP = 1 A時(shí)的48 V低鉗位電壓VCL，為車載網(wǎng)絡(luò)提供了出色的系統(tǒng)級(jí)穩(wěn)健性。Nexperia還為48 V網(wǎng)絡(luò)提供ESD保護(hù)器件，該設(shè)備滿足ISO 21780中定義的附加要求。

Nexperia的ESD保護(hù)器件

可最大程度地提高設(shè)計(jì)靈活性

為了實(shí)現(xiàn)最大的靈活性，該產(chǎn)品組合中的所有器件(12/24/48 V)均采用SOT23和SOT323封裝，具有4 pF、6 pF和10 pF三種不同的電容等級(jí)，有助于確保接口之間的順暢通信，而不會(huì)影響信號(hào)完整性。這種組合最大限度地提高了PCB設(shè)計(jì)的靈活性，并為設(shè)計(jì)工程師提供了多種性能選項(xiàng)。Nexperia全系列汽車ESD保護(hù)器件的規(guī)格如下表1所示。

表1：Nexperia汽車ESD保護(hù)器件規(guī)格

作者簡(jiǎn)介

Andreas Hardock

Andreas Hardock擁有漢堡技術(shù)大學(xué)的博士學(xué)位，專攻信號(hào)完整性領(lǐng)域。自2015年以來(lái)，Andreas一直在BHTC和Continental負(fù)責(zé)汽車行業(yè)的工作，主要側(cè)重ESD和EMC主題。2020年，他加入Nexperia，專注于汽車高速應(yīng)用中的ESD.

Nexperia (安世半導(dǎo)體)

Nexperia（安世半導(dǎo)體）總部位于荷蘭，是一家在歐洲擁有豐富悠久發(fā)展歷史的全球性半導(dǎo)體公司，目前在歐洲、亞洲和美國(guó)共有14,000多名員工。作為基礎(chǔ)半導(dǎo)體器件開發(fā)和生產(chǎn)的領(lǐng)跑者，Nexperia（安世半導(dǎo)體）的器件被廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、移動(dòng)和消費(fèi)等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，幾乎為世界上所有電子設(shè)計(jì)的基本功能提供支持。

Nexperia為全球客戶提供服務(wù)，每年的產(chǎn)品出貨量超過1,000億件。這些產(chǎn)品在效率（如工藝、尺寸、功率及性能）方面成為行業(yè)基準(zhǔn)，獲得廣泛認(rèn)可。Nexperia擁有豐富的IP產(chǎn)品組合和持續(xù)擴(kuò)充的產(chǎn)品范圍，并獲得了IATF 16949、ISO 9001、ISO 14001和ISO 45001標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，充分體現(xiàn)了公司對(duì)于創(chuàng)新、高效、可持續(xù)發(fā)展和滿足行業(yè)嚴(yán)苛要求的堅(jiān)定承諾。

Nexperia：效率致勝。