汽车电路保护器件在设计上的考虑 - 全文

　　在信息娱乐系统中广泛使用自复PPTC(聚合物正温度系数)器件，它们保护精密的电子元件及周边设备。在自复功能不可取或不实际的应用系统中，通常是使用片式表面贴装熔断器。

　　信息娱乐设备也容易因为过高的瞬变电压而损坏，其中包括它所在的工作环境及周边设备产生的静电放电(ESD)脉冲。往往使用ESD保护器件、金属氧化物变阻器(MOV)和齐纳二极管来保护汽车电子设备，例如天线、背光加热器、电池、按键、电路板上的印制线、CD/DVD播放器，数据线端口、硬盘驱动器以及输入/输出端口和触按屏。

　　对于汽车电路保护器件在设计上的考虑

　　# PPTC过流/过热保护

　　广为流行的PPTC器件具有自复功能，可以把它装在汽车中便于接近的位置。它有很多种不同电气性能和尺寸的产品，便于实现各种精确的保护设计方案。在选择PPTC器件时，主要考虑的问题是，器件的保持电流额定值要和设备在正常工作时的初级电流匹配。

　　# ESD保护器件

　　高速输入/输出端口要求使用电容小的ESD保护器件，尽量保持信号质量不会下降。选用的器件应当适合高速数据传输线路和无线电频率数据线路，能够经受无数次的ESD瞬变电压。要符合RoHS 和IEC61000-4-2的要求，电容要小，触发电压要低，响应时间要短，这些也是ESD保护器件的重要特性。

　　# 表面贴装熔断器

　　电流大、尺寸小的表面贴装熔断器有熔断快和慢的两种产品，它们的熔断特性都应当干凈利落，其中包括熔断过程应是在封装里面进行。它们抑制电弧的特性应当良好，并且能够承受冲击和振动。

　　# 金属氧化物变阻器

　　金属氧化物变阻器(MOV)有各种直径和各种电压范围的产品。MOV器件可以流过很大的电流，能够吸收很大的能量，从而实现过压保护。在选择MOV时，是根据箝位电压电平(受抑制的电压额定值)，以及响应时间。

　　直流电源端口的保护

　　汽车电源总线很“脏”，这是大家都知道的。汽车电源的额定值是12V，但是在正常工作时，会在8 V至16V的范围内变化。还有，电池的电流会超过100安培，而且会因为继电器动作或者熔断器熔断而中断，因而在电源总线上产生很大的感应电压尖脉冲，电压会增大5倍以上。

　　汽车电源在运作过程中，会因为电池接错或者在双电池启动时接到电压高一倍( 24伏)的电池上而造成损坏。有一种情况称作"抛负载"，它可能会在电源总线上产生很高的电压。典型的第三方电源转换器会把它滤掉一些，但是泰科电子公司的测试表明，这些电源转换器抑制瞬变电压的能力变化很大。通常USB接口充电的装置一般不是针对这种类型的电压波动而设计的，因而需要过压保护。

　　在车内充电的便携设备对过流和过压保护的需求越来越大，泰科电子的新型 PolyZen ?器件能够满足它的需要。这种器件与类似于齐纳二极管的保护器件一起使用时，具有协同保护的作用，能够承受功率非常高的故障情况。

　　图1：PolyZen器件能够保护汽车周边设备的输入电源、直流电源以及输出功率调节电路。

　　如图1所示，微型PolyZen器件中包含一个稳定的齐纳二极管和一层非线性的电阻性PPTC层。齐纳二极管能够精密地对电压进行箝位，而电阻性的PPTC层会对二极管的发热或者过电流事件作出响应，从低电阻状态转变到高电阻状态。

　　对于电感性电压尖脉冲的箝位和平滑，PolyZen器件特别有效。在出现电感性尖脉冲时，齐纳二极管把电流旁路到地，直到电压降低到正常的工作范围。在供电电压出错的情况下，PolyZen器件对电压进行箝位，把过大的电流旁路到地，防止电源的错误造成影响。PolyZen器件的电压与电流响应特性比较平坦，有利于对输出电压进行箝位，即使输入电压和电源电流变化的情况下也能做到这点。

　　因为在汽车应用系统中电流有可能会很大，要很小心谨慎，保证有妥善的保护。对于选用的器件，要检查它的IFLT最大值和Vout峰值，确保器件能够提供所需要的保护能力。

　　保护电子模块的PCB板

　　市场要求更多的电子器和更多的内部空间，面对这个要求，汽车制造商把更多电路装到更小的封装里面。为了用更小和更密集的印刷电路板面积提供越来越多的功能和连接线，必须减少电路板上的印制线宽度。

　　许多这些控制模块是个"黑盒子"，现在用来控制越来越多的大功率配件，例如电动车窗，电动座椅的调节，遥控车门锁，以及无线电收音机和GPS天线。因为这些配件的电源是由电流很大的电路提供的，由于印刷电路板上印刷线很细，又要流过很大的电流，烧坏的可能性增大了。这个情况是有可能发生的，例如，如果一个电源地和负载断开，它的电流就会通过电路板上一条细小的印刷线流过，这条印制线中的电流将增大。

　　印刷电路板上的印制线起的作用是把电流从一个地方送到另一个地方。每条印制线上可以流过的电流取决于它的横截面积，最大的电流是I2R功耗产生的热量不会把它熔断而断开。即使它还没有熔化，它也有可能热到足以损坏印刷电路板或者损坏装在它上面的一些元件。

　　往往使用自复PPTC器件来保护电路板上这些细小的印刷线，因为这类器件能够迅速而且有效地把电流限制在安全的数值上，而且尺寸又很小，可以直接装到电路板上。利用这项技术，模块中的每一个单独电源电路都可以用一个PPTC器件来保护，把电流限制在一个安全的数值上，不会将它烧断。

　　在图2和图3中对熔断器和PolySwitch器件作了比较。这里我们假定，电路板设计人员把印制线的最高温度规定在100℃。因此，随着印刷线的温度接近100℃，它上面可以流过的电流越来越小。

　　在图2所示的例子是一个1盎司(35 μm )、100密耳( 2.5毫米)的印刷线，用了一个插装PolySwitch ?器件AGR500来保护。在图3中，印制线的宽度减少到20密耳(0.5 mm)，用一个PolySwitch系列表面贴装器件ASMD150来保护它。

　　图2：图中比较了熔断器和PolySwitch器件AGR500的性能。

　　图3：图中比较了熔断器和PolySwitch 器件ASMD150的性能。

　　必须注意的是，在整个温度范围内，PPTC器件的触发电流是如何跟随印制线上的电流。在这两种情况中，即使可以使用熔断器，在汽车高于有用的标准温度下，尺寸最接近的熔断器也不能保护它。

　　PPTC电路保护器件得到广泛的采用，作为一种实用的、经济有效的解决办法，在电子模块中用作过流和/或过热保护。在GPS、DVD或者收音机和汽车通讯信息系统(telematics)的电路板中，常常用这种器件来限制电流。

　　小结

　　现在有各种富有创新性的电路保护解决办法，有各种尺寸、各种焊端的产品，可以帮助汽车制造商和便携设备制造商达到汽车的严格要求，提高设备的可靠性，增强最终用户的便利性和满意度。利用过电流、过电压和ESD协同保护，可以减少元件数量，提高电子元器件和网络的效率和可靠性。