保护汽车电子系统中的数据线与电源线.docx

编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径学海无涯苦作舟页码：保护汽车电子系统中的数据线与电源线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。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。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)是关于所有的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。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。例如甩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。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±25kVESD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±25kVESD(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USB480Mb/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±25kVISO10605(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。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1、2、3a和3b的脉冲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点测得电流脉冲时长(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