保護汽車電子系統中的數據線與電源線

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，從汽車環境中電子模塊的可靠性來分析，也產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ISO10605兩大國際標準規定的電磁干擾和ESD瞬變電壓。

　　汽車環境中的電氣危害

　　汽車環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、交流發電機、燃油噴射器等，都會產生電磁干擾、靜電放電等電氣干擾。傳導性危害直接出現在線束內;輻射性危害則直接影響電子模塊。這些由汽車環境產生的電氣危害將會在兩個方面影響電子模塊：數據線和電源線。

　　電氣危害的傳播

　　在汽車環境內產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、按鈕和數據線連接器的標準。

數據線和電源線應用

　　數據線和電源線的限制因素不同。數據線應用通常有低線路電容的限制，這是高速數據線功能所要求的，同時，數據線還要求高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生的瞬變事件就要使用不同的保護元器件。

　　數據線保護

　　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數據必須使用一個專用的保護元器件。因為USB數據線的數據傳輸速率通常很高(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。內部鉗位器件為兩條數據線提供±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。

　　還有一種方法可以檢查這個軌對軌保護元器件對USB協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據位的完整性。

　　軌對軌保護解決方案的另一個優點是在插接外部配件時(例如汽車音響系統)，能夠抑制發生在外部接口上的ESD電涌。

　　如果繼續使用這個2.5pF內部電容的軌對軌保護元器件，假設內部鉗位電壓(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。

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。

　　我們要解決的問題是根據所要消除的電涌來確定保護元器件的參數。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數據表中的峰值脈沖功率對指數脈沖時長的曲線，以確保TVS在應用的限制范圍內。

結論

　　以SMAJ24A為例，從產品數據表摘取這些參數與圖11的曲線進行比較，發現SMAJ24A符合ISO7637-2脈沖2測試的要求，可承受長達1.2ms的360 W指數脈沖，這個數值遠遠高于ISO7637-2脈沖2電涌強制的4μs時長。

　　汽車環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的安全，防護汽車內部產生的各種電氣危害，使用保護元器件成為了一種常用的方法。