車載電子系統(tǒng)電源保護(hù)和端口設(shè)計(jì)方案

在車載電子系統(tǒng)中，信息娛樂(Infotainment)系統(tǒng)是發(fā)展最為迅速的部分，它主要可分為三大類：音頻(CD)、視頻(DVD)以及導(dǎo)航和遠(yuǎn)程信息服務(wù)。最新的進(jìn)展已經(jīng)可以將USB、MP3、藍(lán)牙、iPod和杜比帶入車內(nèi)。圖1為新的車載導(dǎo)航娛樂和信息服務(wù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。

新的車載導(dǎo)航娛樂和信息服務(wù)系統(tǒng)集成了GPS、影音娛樂、藍(lán)牙通訊等多種功能，配有HDD、LCD模塊、智能讀卡器、CD/DVD驅(qū)動(dòng)等多種電子模塊。這些電子模塊和各種接口使PND面臨諸多潛在危險(xiǎn)，包括過電流、過電壓以及會(huì)損壞敏感電子設(shè)備的ESD、EMI，它們都有可能損壞電子線路。因此，系統(tǒng)線路中的大多數(shù)模塊和接口都必須要進(jìn)行電路保護(hù)的設(shè)計(jì)。

主要異常：過壓、ESD 和過流

車載環(huán)境中存在多種瞬間過壓，這些瞬間過壓有可能對(duì)電路造成永久的損壞。隨著汽車電子的發(fā)展，車身中包含了各種各樣的電子模塊和單元。因此，在設(shè)計(jì)這些電路的過程當(dāng)中，必須要保證所有的線路能夠不被車載環(huán)境中的瞬間過壓損壞。

車載環(huán)境中電源電路中的瞬間過壓包括：負(fù)載突降(Load Dump)、跳變開始(Jump Start)以及各種各樣的電壓噪聲。如圖2所示。其中拋負(fù)載過壓是車載環(huán)境中最嚴(yán)重的瞬間過壓，在12V車載系統(tǒng)中，其瞬間過壓可達(dá)125V。

ESD產(chǎn)生的瞬間高壓能破壞敏感的CMOS器件及器件內(nèi)部的連接，它在引發(fā)IC失效的事件中排名第一，所占比例超過60%。靜電來源于物體間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和電荷積累，積聚的電荷通過一定的路徑釋放從而形成放電(ESD)。ESD進(jìn)入設(shè)備電路侵害器件的方式有兩種：耦合或直接進(jìn)入。在后一種方式中，ESD通過設(shè)備與外界相連的通道有：天線、按鍵、電源或各種與外界相通的物理接口。對(duì)于便攜式電子設(shè)備來說，ESD防護(hù)及器件選擇一直是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的難題。而對(duì)于汽車的惡劣使用環(huán)境，ESD防護(hù)等級(jí)要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在普通家用/商用電子設(shè)備中的相應(yīng)要求。

造成過流的原因主要有電壓升高和負(fù)載異常。在防護(hù)電壓升高造成的過流時(shí)，需要過壓器件和過流器件的協(xié)同保護(hù)。負(fù)載異常包括負(fù)載短路和負(fù)載異常增大；由此產(chǎn)生的過流有時(shí)伴隨著過熱故障，在設(shè)計(jì)異常保護(hù)時(shí)應(yīng)一并考慮。
下面就個(gè)人導(dǎo)航/娛樂系統(tǒng)常見端口的保護(hù)加以簡要介紹。

設(shè)備電源的保護(hù)

PolySwitch自恢復(fù)器件有助于保護(hù)PND的電池和電源電路。與傳統(tǒng)的一次性保險(xiǎn)絲相比，PolySwitch自恢復(fù)器件既可以通過限制過高電流來防止有害的過電流、浪涌，又可以防止過溫故障所引起的損壞。此外，PolySwitch器件在故障被清除且電路電源被切斷后可自動(dòng)恢復(fù)，從而降低了維護(hù)、服務(wù)和維修的成本。

由于PolySwitch器件快速而有效地將過電流限制到安全水平，且體型小巧，可直接貼裝到電路板，因此，可使用該器件對(duì)PND內(nèi)的每條電源電路進(jìn)行一對(duì)一的保護(hù)。圖3為使用了PolySwitch電路保護(hù)器件的便攜式電子設(shè)備中的電池充電電路典型結(jié)構(gòu)圖。PolySwitch和鉗位二極管共同保護(hù)設(shè)備不受過電壓、極性反轉(zhuǎn)等故障的損害，保護(hù)汽車電源及電路不因便攜式電子設(shè)備內(nèi)部故障而損壞。

USB/IEEE1394 CCP端口的保護(hù)

隨著USB/IEEE1394通信速率的增加，電路日趨小型化和敏感化，對(duì)電路瞬態(tài)的保護(hù)就顯得更為重要。每當(dāng)連接和斷開PND，電路都會(huì)受到瞬態(tài)過電壓/過電流的沖擊，故需要在電源和地上分別抑制瞬間過壓。由于鉗位而不會(huì)引起供電中斷，且價(jià)格較低，MLV常被采用。為滿足USB和IEEE1394接口規(guī)范要求，PolySwitch器件通常用于防止USB電源線上因過電流造成的設(shè)備損壞，是即插即用型應(yīng)用設(shè)備的理想選擇。

對(duì)USB/IEEE1394端口具有損害性的瞬態(tài)過電壓還包括來自于操作環(huán)境和外圍設(shè)備的ESD脈沖。瑞侃電路保護(hù)部開發(fā)的PESD器件電容極低，特別適用于數(shù)據(jù)傳輸速率很高的電路。PESD靜電保護(hù)器件具有低觸發(fā)電壓和低鉗位電壓，有助于保護(hù)敏感電子設(shè)備。圖4、圖5為瑞侃電路保護(hù)部推薦的電路保護(hù)典型設(shè)計(jì)圖。

Smart Card Reader端口保護(hù)

接觸式Smart Card內(nèi)部有一個(gè)IC芯片，用于傳輸信息、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等。Smart Card工作時(shí)，由讀卡器的Vcc電壓供電。損壞的Smart Card或者其他導(dǎo)電物品被錯(cuò)誤地放進(jìn)讀卡器，都有可能造成讀卡器電路出現(xiàn)短路，而造成永久損壞。在讀卡器電路中使用PolySwitch可恢復(fù)器件能夠?qū)Υ祟愲娐饭收线M(jìn)行保護(hù)。如圖6，在讀卡器的Vcc供電電路中串聯(lián)PolySwitch器件，當(dāng)出現(xiàn)短路過電流故障時(shí)，PolySwitch器件能夠切斷電路，在故障排除后恢復(fù)電路，并在所有端口進(jìn)行ESD防護(hù)。

Hard Disk Drive保護(hù)

Hard Disk Drive (HDD)在使用過程中，可能因?yàn)楣╇娋€路的接線錯(cuò)誤、電路中的電源紋波電壓、熱插拔導(dǎo)致的過電壓脈沖或者電源正負(fù)極反接而造成過電流和過電壓錯(cuò)誤，這些電路故障有可能永久地?fù)p壞HDD。

HDD的供電線路一般有5V和12V，有一些HDD還有3V。如果在供電線路的接線中出現(xiàn)錯(cuò)誤，例如將12V的供電線接到5V的接口，或者電路的正負(fù)極反接，則會(huì)造成過電流，從而會(huì)損壞HDD電路中的某些元器件。在HDD的供電線路中串聯(lián)PolySwitch器件，當(dāng)電路中出現(xiàn)過電流故障時(shí)，PolySwitch能夠迅速切斷電路，并在故障排除后自動(dòng)恢復(fù)，提供針對(duì)此類過電流故障的保護(hù)，從而降低HDD被損壞的可能性。一般HDD供電電路中允許的電壓誤差為5%，這意味著5V電路中的電壓不能超過5.25V，12V電路中的電壓不能超過12.6V。在實(shí)際使用過程中，HDD電路中可能由于感性電路的存在而產(chǎn)生過電壓脈沖；或者由于熱插拔、內(nèi)部系統(tǒng)關(guān)斷以及其他的內(nèi)部電源波動(dòng)造成的快速電流變化而引起過電壓脈沖。此類過電壓脈沖可能達(dá)到8V(5V電路中)和16V(12V電路中)，并且會(huì)損壞HDD電路。

除了HDD，同樣的情況也可能發(fā)生在CD-ROM，CD-R， CD-RW和 DVD等驅(qū)動(dòng)上。這些驅(qū)動(dòng)同樣需要類似的保護(hù)。圖7為使用瑞侃電路保護(hù)部門開發(fā)的PolyZen器件對(duì)HDD電路進(jìn)行保護(hù)的典型設(shè)計(jì)。PolyZen器件能夠限制接線錯(cuò)誤造成的過電流故障，同時(shí)還能夠保護(hù)HDD電路不被過電壓脈沖(包括ESD)損壞。

總結(jié)

電路保護(hù)往往不僅僅是選一、兩個(gè)合適的器件那么簡單。在設(shè)計(jì)中，首先要對(duì)可能出現(xiàn)的異常情況逐一分析，選擇合適的保護(hù)方案。合適是指在滿足保護(hù)要求的條件下，均衡成本、風(fēng)險(xiǎn)、工藝、品質(zhì)以及空間諸因素所得到的優(yōu)化方案。必要時(shí)，采用兩個(gè)或多個(gè)器件以分級(jí)保護(hù)方式達(dá)到目的。其次，調(diào)節(jié)各元件的保護(hù)偶合點(diǎn)，計(jì)算、驗(yàn)證其邊界參數(shù)，保證保護(hù)方案可以覆蓋所要求保護(hù)的全部異常。有時(shí)需要在布線、在線電阻(起限流、耦合作用)上做一些調(diào)整。

對(duì)于車用電子設(shè)備廠商來說，好的保護(hù)方案既能提高產(chǎn)品的可靠性，又能降低總體成本。合理的硬件保護(hù)，能夠保證設(shè)備不受異常侵害，從而提升產(chǎn)品品質(zhì)，降低保修、維護(hù)成本。