汽車電子拋負(fù)載保護(hù)設(shè)計將不再是難題

汽車行業(yè)不斷引入新的特性，增強在現(xiàn)有的流行互聯(lián)網(wǎng)元素，如信息娛樂和在線導(dǎo)航的駕駛體驗，普及藍(lán)牙和USB連接和給手機(jī)充電的功能，高性能的LED照明，以及更多。

現(xiàn)在，先進(jìn)的駕駛輔助系統(tǒng)ADAS，其特點是避碰和停車輔助系統(tǒng)也稱為標(biāo)配。這是除了建立電子系統(tǒng)如音響、液晶顯示器、和關(guān)鍵的基本控制和電力系統(tǒng)。因此，保護(hù)這些先進(jìn)的汽車電子系統(tǒng)的電路比以往任何時候都更為重要。此外，許多強制性的安全系統(tǒng)需要先進(jìn)的電子元件的保證。例如，在歐盟，所有銷售的新車必須配備的直接式輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)（TPMS）。

特別的新能源汽車，這個新領(lǐng)域，汽車行業(yè)從未如此依賴高性能的汽車電子技術(shù)。汽車系統(tǒng)的供電來源于發(fā)電機(jī)和蓄電池，行走的汽車的供電有很多瞬變狀況發(fā)生，這些對負(fù)載都有會明顯的影響，具體類別可以查詢下表（表1）。它們可以從許多不同的來源產(chǎn)生，從普通的靜電放電到斷開電池。

所以汽車電子的信息娛樂、照明、駕駛火車、車身或底盤/安全組的設(shè)計工程師需要考慮電路保護(hù)來對付這些瞬變。提供適當(dāng)?shù)碾娐繁Ｗo(hù)有助于確保安全。也有助于降低制造商的保修和服務(wù)相關(guān)成本。

ISO國際標(biāo)準(zhǔn)化組織很早都有相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)，這就要求汽車電子系統(tǒng)設(shè)計工程師應(yīng)了解國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）所提出的要求。

ISO 16750適用于道路車輛，包括環(huán)境條件和電氣和電子設(shè)備的測試。在2010發(fā)行，由技術(shù)委員會ISO/TC 22取代ISO 7637拋負(fù)載等16750-2（脈沖5A和5B部分）。ISO 16750-2進(jìn)一步修訂發(fā)布2012年。

ISO 16750-2標(biāo)準(zhǔn)適用于道路車輛電力電子系統(tǒng)/組件（表2）。它描述了潛在的環(huán)境電氣壓力，并指定了特定的安裝位置/在道路車輛上的測試和要求。

在4.6款對拋負(fù)載保護(hù)的需要，“在電源電壓的不連續(xù)性，”小節(jié)4.6.4 load dump中描述。當(dāng)發(fā)電機(jī)傳送電流的負(fù)荷突然斷開時發(fā)生負(fù)載突降（圖1）。在汽車電子產(chǎn)品中，這適用于在由發(fā)電機(jī)充電時故意或故障斷開蓄電池。

如果交流發(fā)電機(jī)在交流發(fā)電機(jī)電路上剩余的負(fù)載產(chǎn)生充電電流，則可能發(fā)生這種情況。圖2為電壓浪涌的模擬由旋轉(zhuǎn)的發(fā)電機(jī)當(dāng)電池或其他重要負(fù)載突然斷開的波形和參數(shù)。

在表3中，我們可以看到瞬態(tài)電壓可以高達(dá)202 V，并可能需要多達(dá)400MS衰減。

考慮到串聯(lián)電阻可以在1至2?，浪涌電流可超過50A持續(xù)350毫秒的時間，設(shè)計工程師需要特別考慮過壓的時間。

ISO標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定10個脈沖間隔一分鐘的重復(fù)測試，我們需要設(shè)計負(fù)載保護(hù)解決方案來維持當(dāng)前的電壓不斷電維持工作。

汽車電子設(shè)計者可以用幾種方式解決電路保護(hù)問題。

首先，有一個開關(guān)解決方案。在這里，電源可能是設(shè)計給我們一個寬輸入范圍非同步降壓控制器，這將提供汽車電源拋負(fù)載保護(hù)。它通過切斷輸入電源到控制器或電子子系統(tǒng)，在指定的脈沖持續(xù)時間期間，防止負(fù)載突降瞬態(tài)。然后重新連接，當(dāng)條件恢復(fù)正常時，有固定的延遲。然而，這種解決方案有一定的局限性。輸入操作范圍是已知的也許高達(dá)75 V，在高于這個電壓處設(shè)計開路，對一些不能重啟的設(shè)備是不被允許的。其他類似的解決方案也會需要更多的分立元件和PCB布局。

另一種解決方案是分流方案。在保護(hù)汽車電子子系統(tǒng)的基本方法中，在負(fù)載的的輸入電源電壓并聯(lián)半導(dǎo)體瞬態(tài)抑制器件TVS。TVS的反應(yīng)速度快，選擇適當(dāng)?shù)碾妷簠?shù)和功率，可以有效的對抗拋負(fù)載。

這對于半導(dǎo)體TVS 也是一個難題，常規(guī)的TVS器件都在5000W 以下功率，對于汽車拋負(fù)載的電性條件需要支持高達(dá)60多A的電流持續(xù)350-400MS的高電壓沖擊，而且需要測試10次（間隔1分鐘），就需要設(shè)計更高功率，更利于散熱的汽車用的TVS器件。按照TVS的曲線參數(shù)圖，在通過電流不斷增大的情況下，可以保持比較穩(wěn)定的電壓輸出，確保后端電路的電力供應(yīng)。

汽車電子設(shè)計工程師在負(fù)載突降保護(hù)電路通常使用1500W或的3000WTVS二極管器件。但是，考慮到汽車中日益增多的電子系統(tǒng)，這種負(fù)載保護(hù)對于當(dāng)前的使用條件是否足夠可靠？

至少，汽車設(shè)計師需要實現(xiàn)短路保護(hù)，符合ISO 16750-2 AEC-Q101標(biāo)準(zhǔn)和整體模塊可靠性。

對于當(dāng)前的發(fā)電機(jī)很多采用了輸出電壓限幅措施，12V系統(tǒng)主機(jī)廠要求汽車實驗室對部分產(chǎn)品要求5B的降檔測試，也許低功率可以滿足一些要求，但對整機(jī)的可靠性還是需要斟酌。

在今天的電子系統(tǒng)中，設(shè)計者可以通過超出這些標(biāo)準(zhǔn)要求獲得更好的保證以避免昂貴的保修、修理和其他費用?；倦娐繁Ｗo(hù)功能應(yīng)包括解決方案，提供一個非常低的鉗位電壓，發(fā)熱穩(wěn)定，滿足rohs reach要求。

上圖中的紅圈中數(shù)據(jù)沒有固定，讓很多工程師不知道如何選擇測試，這里也有基本原則，高電壓對應(yīng)高電阻，低電壓對應(yīng)低電阻，當(dāng)然目前國內(nèi)車廠都已經(jīng)慢慢積累了自己的發(fā)動機(jī)數(shù)據(jù)，有自己的指標(biāo)，上海雷卯電子也積累了很多客戶的測試數(shù)據(jù)，在設(shè)計時可以幫助客戶前期提供數(shù)據(jù)，減少很多重復(fù)的設(shè)計測試工作。

眾所周知，不斷提供電路保護(hù)的可靠性，也意味著成本的增加，但是好品牌是靠可靠性，穩(wěn)定性來贏得客戶，在質(zhì)保期內(nèi)的0故障也是一種成本的節(jié)約。以下列出幾種拋負(fù)載波形的和對應(yīng)電壓、電阻的圖例。

總結(jié)

汽車電子系統(tǒng)設(shè)計工程師應(yīng)該意識到ISO 16750對道路車輛的重要性。設(shè)計者必須確保電路保護(hù)符合車載保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，并理解它們包括標(biāo)準(zhǔn)化模擬，因為它們是在現(xiàn)實生活中發(fā)生的。

開關(guān)解決方案通過將輸入電源斷開到控制器或電子子系統(tǒng)，為負(fù)載突降瞬態(tài)提供保護(hù)。這是指定的脈沖持續(xù)時間完成，然后重新連接，穩(wěn)定條件恢復(fù)正常時重啟。但是，這種解決方案通常需要十幾個組件，這增加了總成本和占用寶貴的PCB布局。

新的解決方案采用分流能力。在這里，一個單一的組件與半導(dǎo)體瞬態(tài)抑制器件的電源電壓保護(hù)公司分流多余的汽車電子系統(tǒng)。用一個TVS二極管，瞬間箝位電壓，電流分流，保護(hù)后端DCDC，這種方法簡單方便，目前已經(jīng)大量應(yīng)用于各大車廠。

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