保护汽车电子系统中的数据线与电源线

1、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

2、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 I

3、EC61000-4-2 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

4、， 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± 25kV ESD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

5、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±25kV ESD (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， U

6、SB2.0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±25kV ISO10605 (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 I

7、SO7637-2 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8、图 9 和图 10 所示。3b 的脉冲时，该保护电路的特性如图6、图7、图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 4s。因此， 可判定TVS必须消耗 360W的最大脉冲功率 (Pp) 。所有这些 Pp、Ip 和 tp 值是有用的，因为它们可以帮助比较 TVS数据表中的峰值脉冲功率对指数脉冲时长的曲线， 以确保 TVS在应用的限制范围内。结论以 SMAJ24A为例，从产品数据表摘取这些参数与图 11 的曲线进行比较，发现SMAJ24A符合 ISO7637-2 脉冲 2 测试的要求，可承受长达 1.2ms 的 360 W指数脉冲，这个数值远远高于 ISO7637-2