保护汽车电子系统中的数据线与电源线
2010-12-18 11:20:03
来源：《半导体器件应用》2009年8月刊
1 前言
今天，汽车电子设备在整车中所占的比例相当大。这些电子模块虽然为汽车用户带来了舒适性和安全性，但与此同时，从汽车环境中电子模块的可靠性来分析，也产生了一些不容忽视的问题。
因为电子模块对电磁干扰(EMI)、静电放电(ESD)和其它电气干扰（汽车本身是这些危害的源头）十分敏感，所以在汽车环境中使用电子模块时必须慎重考虑。针对当前汽车常见的电气危害，国际标准化组织出台了多套电气保护标准。汽车制造商和供应商必须考虑这些标准，而只有在电子模块中增加保护元器件，才能履行这些标准所规定的主要责任。例如，车载电子模块必须承受抗ISO7637-2和ISO10605两大国际标准规定的电磁干扰和ESD瞬变电压。
2 汽车环境中的电气危害
汽车环境本身包括很多电气危害的源头。汽车的各种零部件，如点火开关、继电器触点、交流发电机、燃油喷射器等，都会产生电磁干扰、静电放电等电气干扰。传导性危害直接出现在线束内；辐射性危害则直接影响电子模块。这些由汽车环境产生的电气危害将会在两个方面影响电子模块：数据线和电源线。
3 电气危害的传播
在汽车环境内产生的瞬变事件可能从低能量级到高能量级变化，也可能从高能量级到低能量级变化，同时伴随着极高的电压斜率dV/dt。有关这些电气危害的主要标准是ISO7637-2和ISO10605，有时还会参照IEC61000-4-2标准，因为某些厂商在ISO10605标准发布前一直使用ESD标准。
ISO7637-2是与电源线应用相关的标准，ISO10605（某些厂商使用IEC61000-4-2）是关于所有电子模块的配件如电位计、液晶显示屏、按钮和数据线连接器的标准。
图1简要描述了ISO7637-2和汽车电源线上的主要电涌。
4 数据线和电源线应用
数据线和电源线的限制因素不同。数据线应用通常有低线路电容的限制，这是高速数据线功能所要求的，同时，数据线还要求高ESD保护性能。因此，选择一个低电容和高ESD防护性能都兼顾的保护电路比较困难。
另一方面，虽然电源线应用不需要低电容，但是，因为ISO7637-2标准施加各种脉冲，找到最适合的保护元器件也非易事。例如，负载电涌与继电器开关产生的瞬变事件就要使用不同的保护元器件。
5 数据线保护
以汽车音响设备的USB配件为例来探讨一下USB的保护。USB接口的触点部分可能受到ESD瞬变事件的影响，因此，USB数据必须使用一个专用的保护元器件。因为USB数据线的数据传输速率通常很高(480Mb/s)，为了不降低正常工作信号的强度，就必须使用一个低电容的保护元器件，同时由它来抑制±25kV ESD的ESD电涌(ISO10605)。使用图2的拓扑可以在低电容与高效ESD抑制能力之间找到平衡点。
这个办法的实质是在USB接口附近连接一个保护元器件。它由几支采用轨对轨结构的二极管组成，本身具有低电容的特性。内部钳位器件为两条数据线提供±25kV ESD (ISO10605)保护功能，以及为Vbus电源线提供保护功能。
假设轨对轨保护器件每条线的电容为2.5pF，预测这个保护拓扑的频响如图3所示。
图3中截止频率大约为5GHz，远离USB 480Mb/s收发器的正常工作频率，因此，USB收发器可以安全工作。
还有一种方法可以检查这个轨对轨保护元器件对USB协议正常工作模式的影响，就是通过图4的眼图响应来分析信号数据位的完整性。
从图4中不难看出，USB2.0信号的完整性没有受到太大影响，因此它的传输是安全的。
轨对轨保护解决方案的另一个优点是在插接外部配件时（例如汽车音响系统），能够抑制发生在外部接口上的ESD电涌。
如果继续使用这个2.5pF内部电容的轨对轨保护元器件，假设内部钳位电压（Vbr击穿电压）为6V，则可以预测空气放电响应ESD ±25kV ISO10605 (150pF/330)。当施加+25kV的ESD电涌时，模块电子侧的剩余过压大约为+35V；当施加-25kV的ESD电涌时，模块电子侧的剩余过压大约为30V 。
6 电源线保护
车载模块的电源线保护是在汽车环境中需要关注的另一个问题，这个问题涉及ISO7637-2标准。
例如，为满足ISO7637-2标准，特别是图1中的脉冲1、2、3a和3b的要求，只使用一个瞬变电压抑制器(TVS)即可有效保护车载模块。
电源线保护拓扑如图5所示。
当承受图1中的1、2、3a和3b的脉冲时，该保护电路的特性如图6、图7、图8、图9和图10所示。
我们要解决的问题是根据所要消除的电涌来确定保护元器件的参数。以图8中的ISO7637-2 脉冲2为例，不难看出，抑制器上的钳制电压大约是30V，峰值脉冲电流 (Ip)大约是12A，在Ip/2点测得电流脉冲宽度(tp)是4μs。因此，可判定TVS必须消耗360W的最大脉冲功率(Pp) 。所有这些Pp、Ip和tp值是有用的，因为它们可以帮助比较TVS数据表中的峰值脉冲功率对指数脉冲时长的曲线，以确保TVS在应用的限制范围内。
7 结论
以SMAJ24A为例，从产品数据表选取这些参数与图11的曲线进行比较，发现SMAJ24A符合ISO7637-2脉冲2测试的要求，可承受长达1.2ms的360W指数脉冲，这个数值远远高于ISO7637-2脉冲2电涌强制的4μs脉宽。
汽车环境是电气危害的主要源头，电子设备越来越容易受到干扰，所以在设计电子模块时，必须慎重考虑电气危害。为了确保电子模块和系统的安全，防护汽车内部产生的各种电气危害，使用保护元器件成为了一种常用的方法。
今天，汽车电子设备在整车中所占的比例相当大。这些电子模块虽然为汽车用户带来了舒适性和安全性，但与此同时，从汽车环境中电子模块的可靠性来分析，也产生了一些不容忽视的问题。
因为电子模块对电磁干扰(EMI)、静电放电(ESD)和其它电气干扰（汽车本身是这些危害的源头）十分敏感，所以在汽车环境中使用电子模块时必须慎重考虑。针对当前汽车常见的电气危害，国际标准化组织出台了多套电气保护标准。汽车制造商和供应商必须考虑这些标准，而只有在电子模块中增加保护元器件，才能履行这些标准所规定的主要责任。例如，车载电子模块必须承受抗ISO7637-2和ISO10605两大国际标准规定的电磁干扰和ESD瞬变电压。
2 汽车环境中的电气危害
汽车环境本身包括很多电气危害的源头。汽车的各种零部件，如点火开关、继电器触点、交流发电机、燃油喷射器等，都会产生电磁干扰、静电放电等电气干扰。传导性危害直接出现在线束内；辐射性危害则直接影响电子模块。这些由汽车环境产生的电气危害将会在两个方面影响电子模块：数据线和电源线。
3 电气危害的传播
在汽车环境内产生的瞬变事件可能从低能量级到高能量级变化，也可能从高能量级到低能量级变化，同时伴随着极高的电压斜率dV/dt。有关这些电气危害的主要标准是ISO7637-2和ISO10605，有时还会参照IEC61000-4-2标准，因为某些厂商在ISO10605标准发布前一直使用ESD标准。
ISO7637-2是与电源线应用相关的标准，ISO10605（某些厂商使用IEC61000-4-2）是关于所有电子模块的配件如电位计、液晶显示屏、按钮和数据线连接器的标准。
图1简要描述了ISO7637-2和汽车电源线上的主要电涌。
4 数据线和电源线应用
数据线和电源线的限制因素不同。数据线应用通常有低线路电容的限制，这是高速数据线功能所要求的，同时，数据线还要求高ESD保护性能。因此，选择一个低电容和高ESD防护性能都兼顾的保护电路比较困难。
另一方面，虽然电源线应用不需要低电容，但是，因为ISO7637-2标准施加各种脉冲，找到最适合的保护元器件也非易事。例如，负载电涌与继电器开关产生的瞬变事件就要使用不同的保护元器件。
5 数据线保护
以汽车音响设备的USB配件为例来探讨一下USB的保护。USB接口的触点部分可能受到ESD瞬变事件的影响，因此，USB数据必须使用一个专用的保护元器件。因为USB数据线的数据传输速率通常很高(480Mb/s)，为了不降低正常工作信号的强度，就必须使用一个低电容的保护元器件，同时由它来抑制±25kV ESD的ESD电涌(ISO10605)。使用图2的拓扑可以在低电容与高效ESD抑制能力之间找到平衡点。
这个办法的实质是在USB接口附近连接一个保护元器件。它由几支采用轨对轨结构的二极管组成，本身具有低电容的特性。内部钳位器件为两条数据线提供±25kV ESD (ISO10605)保护功能，以及为Vbus电源线提供保护功能。
假设轨对轨保护器件每条线的电容为2.5pF，预测这个保护拓扑的频响如图3所示。
图3中截止频率大约为5GHz，远离USB 480Mb/s收发器的正常工作频率，因此，USB收发器可以安全工作。
还有一种方法可以检查这个轨对轨保护元器件对USB协议正常工作模式的影响，就是通过图4的眼图响应来分析信号数据位的完整性。
从图4中不难看出，USB2.0信号的完整性没有受到太大影响，因此它的传输是安全的。
轨对轨保护解决方案的另一个优点是在插接外部配件时（例如汽车音响系统），能够抑制发生在外部接口上的ESD电涌。
如果继续使用这个2.5pF内部电容的轨对轨保护元器件，假设内部钳位电压（Vbr击穿电压）为6V，则可以预测空气放电响应ESD ±25kV ISO10605 (150pF/330)。当施加+25kV的ESD电涌时，模块电子侧的剩余过压大约为+35V；当施加-25kV的ESD电涌时，模块电子侧的剩余过压大约为30V 。
6 电源线保护
车载模块的电源线保护是在汽车环境中需要关注的另一个问题，这个问题涉及ISO7637-2标准。
例如，为满足ISO7637-2标准，特别是图1中的脉冲1、2、3a和3b的要求，只使用一个瞬变电压抑制器(TVS)即可有效保护车载模块。
电源线保护拓扑如图5所示。
当承受图1中的1、2、3a和3b的脉冲时，该保护电路的特性如图6、图7、图8、图9和图10所示。
我们要解决的问题是根据所要消除的电涌来确定保护元器件的参数。以图8中的ISO7637-2 脉冲2为例，不难看出，抑制器上的钳制电压大约是30V，峰值脉冲电流 (Ip)大约是12A，在Ip/2点测得电流脉冲宽度(tp)是4μs。因此，可判定TVS必须消耗360W的最大脉冲功率(Pp) 。所有这些Pp、Ip和tp值是有用的，因为它们可以帮助比较TVS数据表中的峰值脉冲功率对指数脉冲时长的曲线，以确保TVS在应用的限制范围内。
7 结论
以SMAJ24A为例，从产品数据表选取这些参数与图11的曲线进行比较，发现SMAJ24A符合ISO7637-2脉冲2测试的要求，可承受长达1.2ms的360W指数脉冲，这个数值远远高于ISO7637-2脉冲2电涌强制的4μs脉宽。
汽车环境是电气危害的主要源头，电子设备越来越容易受到干扰，所以在设计电子模块时，必须慎重考虑电气危害。为了确保电子模块和系统的安全，防护汽车内部产生的各种电气危害，使用保护元器件成为了一种常用的方法。
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