汽車電子產品的設計要面對諸多技術上的挑戰，其中包括對電氣危害的防護。汽車系統中電氣危害的三個主要來源分別是靜電放電(ESD)、電力電子電路中的切換負載和雷擊。克服這些會損害車輛電子設備的瞬態浪湧，無論是在引擎蓋下還是在駕駛室內，是系統設計的最大障礙之一。
本文將幫助汽車電子設計人員進一步了解如何消除瞬態浪湧，提高車輛的整體安全性。讀者將了解到更多受瞬態浪湧危害影響的車輛系統，以及為瞬態浪湧保護所建立的汽車測試標準。本文還探討了消除瞬態浪湧的實際解決方案，包括汽車總線標準/保護方案，以及可在較小封裝空間內提供出色電氣性能的瞬態電壓抑制(TVS)二極體。
交流發電機導致瞬變
在現代汽車設計中，所有車載電子裝置都與電池和交流發電機相連接。由於它的不穩定性，在為車輛其他系統提供動力之前，交流發電機的輸出還須要進一步調節。
目前，大多數交流發電機都配有齊納二極體以針對負載突降浪湧進行保護。然而，光有這些器件是不夠的。在供電或切換電感性負載時，電池被斷開，從而產生不必要的尖峰/瞬變(也稱為負載突降)。如果不加以解決，這些瞬變將沿著電源線傳輸，導致個別電子元件和傳感器故障或永久破壞車輛的電子系統，影響總體的可靠性。因此，在車輛的電氣系統中，多數瞬變是由交流發電機所導致的。
瞬態浪湧影響汽車安全/性能/舒適性/便利性
如圖1所示，在四個主要類別的車輛系統中，須要對電路和組件進行瞬態浪湧保護，它們分別是：安全系統、性能和排放系統、混合動力車輛系統，以及舒適性和便利性系統。
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| 圖1 受瞬態浪湧危害的車輛系統 |
保護車輛的性能和安全系統對確保駕駛員和乘客的安全和福祉來說關系重大。然而，如果不加控制的瞬態浪湧和極端溫度在車輛的任何系統內引發火災，人的安全也會受到損耗。
雖然對車輛的基本功能來說，舒適性和便利性系統可能被認為是非至關重要，但是如果發生損壞，更換這些系統會造成相當的費用，也是一件令人煩惱的事情。例如，來自IHS的最近一分報告稱，如今訊息娛樂系統在新車購買價格中的占比高達10%。試想一下更換受損的訊息娛樂系統所涉及的巨大的部件和人工成本。隨著消費者越來越依賴於導航和視頻之類的功能，他們不會期望這些系統內部的故障所帶來的不便。
汽車測試標準/汽車環境測試水平
汽車電子協會(AEC)元件技術委員會建立了測試標準，為製造商提供了在設計、生產和測試車輛時可以遵循的嚴格的指導。AEC是由克萊斯勒(Chrysler)、福特(Ford)和通用汽車為建立一套通用的零件資質和質量系統標準而設立的。ACE的兩個委員會之一，元件技術委員會為可靠的、高品質的電子零組件制定了一系列汽車等級(AECQ)標準。符合AECQ標準要求的元件被認為適合在惡劣的汽車環境中使用，而毋須進行其他組件級資格測試。
涵蓋了一系列浪湧脈衝和負載突降測試條件的ISO7637-2標準被世界各地的主要汽車製造商所廣泛使用。本文將介紹這一國際標準的各種測試水平。
表1列出ISO7637-2標準中模擬車輛及其系統內數個壓力條件的不同的測試脈衝。
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| 表1 ISO7637-2針對每種脈衝的測試水平 |
測試脈衝定義
1.不同的o/c電壓
2.負極和正極
3.脈衝持續時間0.1∼400ms
4.單一且突發
5.TVS保護及其工作模式
TVS二極體提供強大保護
為了獲得最佳性能，應選擇能夠針對負載突降所引起的瞬變和其他瞬態電壓事件，進行二級瞬態電壓保護的TVS二極體。這些二極體可在較小的尺寸封裝內，提供出色的電氣性能，使設計人員能夠在不改變設計占用空間的前提下，升級他們的電路保護或者在新的電路布局中提供更強大的保護。此外，TVS二極體有助於使設計通過ISO7637-2規定的不同測試。
下面內容將探討最常見的通訊總線標準。
CAN/LIN汽車總線保護至關重要
當今最流行的通訊總線標準是控制器區域網路(CAN)和本地網際網路(LIN)總線。
CAN總線標準是一項車輛總線標準，指在允許微控制器和設備在車輛內部進行通訊，而毋須使用主機。它是專為汽車應用而設計的基於消息的協議。它也可用於航太、工業自動化和醫療設備領域。
流行的高速CAN總線支持兩種數據速度版本。它們非常適合惡劣環境中的高速(1.0Mbps)和中速(125kbps)應用。
CAN系統可處理從動力轉向到發動機計算機和變速箱之間關鍵傳統系統通訊的所有事情。
LIN總線標準是用於車輛各組件之間通訊的串行網路協議。隨著在車輛中應用的技術和設施的發展，出現了對便宜的串行網路的需要，因為要在車輛的每一個組件上實現CAN總線太過於昂貴。
LIN總線也可通過特殊的DC-LIN收發器在車輛的蓄電池電力線上使用，這也是當今汽車界所常見的做法。
LIN系統可以處理簡單的機電功能，如移動電動座椅和切換巡航控制。
由於CAN/LIN總線是控制以及監控車內各種功能的雙線通訊總線，其線路暴露於浪湧的機會比較高，而浪湧則是會導致CAN/LIN收發器出現故障。因此，可以考慮使用以下的方法對這兩種總線進行保護。
如圖2所示，TVS二極體的目的是在共模條件下針對浪湧事件對兩條CAN總線線路進行保護(24V系統)。反向隔離電壓為25.6V和最大鉗位電壓為41.4V的600W雙向TVS二極體是毋須削減CAN訊號對CAN總線進行保護的理想選擇。
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| 圖2 CAN總線保護 |
LIN收發器具有+24/-15V的訊號範圍和2.4kbps到20kbps的數據速率。如圖3所示，它需要一個雙向不對稱TVS配置以保護差模條件下的兩條線路。可以在串聯模式下連接多個TVS二極體以針對浪湧事件對兩條線路進行保護。具有相同的功率處理能力的一種替代解決方案增加了一個雙向的TVS二極體，以保護LIN總線。
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| 圖3 LIN總線保護 |
ISO7637-2汽車TVS二極體浪湧測試結果
表2總結了在使用各種汽車TVS二極體時12V和24V電源系統中每個水平的ISO7637-2浪湧測試的合規性。表中的二極體的額定脈衝功率分別為600W、600W、1,500W和3,000W。這些元件有助於使電源系統在操作上通過ISO7637所規定的不同的浪湧測試(1、2a、2b、3a、3b、5a和5b)。
在12V系統中，當二極管被設計用以通過更高能量的5a浪湧時，必須在電力線上增加一個電阻值超過8Ω的串聯電阻。這一點也適用於5b浪湧，其中需要一個電阻值超過0.5Ω的串聯電阻以在操作上通過測試。對於24V汽車電源系統浪湧合規性，請參考表2中的24V系統的結果。
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| 表2 力特汽車TVS二極管在12V/24V動力系統中各種浪湧水平上的合規性 |
主要的車輛系統中電氣安全漏洞，需要針對電氣危害的保護上引起適當的注意，尤其是負載突降、ESD或雷擊所造成的瞬態浪湧。為了確保車內乘員的安全，維護車主的利益，國際標準和美國標準在防止瞬態浪湧所造成破壞性影響的保護上，均提供了嚴格的指導。今天，在較小的封裝空間內具有經過驗證的高可靠性性能的汽車，TVS二極體可提供最好的瞬態浪湧保護。
(作者皆任職於Littelfuse公司)