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。这些电子模块尽管为汽车用户 带来了舒服性和安全性，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)十分敏锐，因此在汽车环境中使川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爱护标准。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爱护元器件，才能履 行这些标准所规定的要紧责任。例如，车教电子模块必须承担抗IS07637-2和 IS0106

2、05两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专门多电气危害的源头，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。传导性危害直截了当显现在线束内；辐射性危害那么直截了当阻碍电子模块。 这些由汽车环境产生的电气危害将会在两个方面阻碍电子模块：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，同时相伴着极高的电压斜率dV/dt。有关这些电气危害的要 紧标准是IS07637-2和IS010605,有时还会参照IEC61000-4

3、-2标准，因为某些 厂商在IS010605标准公布前一直使用ESD标准。IS07637-2是与电源线应用相关的标准：IS010605 (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 IS07637-2和汽车电源线上的要紧电涌。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爱护性能。因此，选择一个 低电容和高ESD防护性能都兼顾的爱护电路比较困难。另一方面，尽管电源线应用不需要低电容，然而，因为IS07637-2标准施加

4、各种 脉冲，找到最适合的爱护元器件也非易事。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爱护元器件。1USB Cntro-Ikr/Tran¥cciver图2如何保护高速数据线卡数据线爱护以汽车音响设备的USB配件为例来探讨一下USB的爱护。USB接口的触点部分可 能受到ESD瞬变事件的阻碍，因此，USB数据必须使用一个专用的爱护元器件。 因为USB数据线的数据传输速率通常专门高(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爱护元器件，同时由它来抑制±25kV ESD 的ESD电涌(IS010605)。使川图2的拓扑能够在低电容与高效

5、ESD抑制能力之间 找到平稳点。那个方法的实质是在USB接口邻近连接一个爱护元器件。它由几支采纳轨对轨结 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 (IS010605)爱护功能，以及为Vbus电源线提供爱护功能。假设轨对轨爱护器件每条线的电容为2.5pF,推测那个爱护拓扑的频响如图3所 示。图3中截止频率大约为5GHz,远离USB 480Mb/s收发器的正常工作频率，因此, USB收发器能够安全工作。还有一种方法能够检查那个轨对轨爱护元器件对USB协议正常工作模式的阻碍, 确实是通过图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

6、，USB2.0信号的完整性没有受到太大阻碍，因此它的传输是 安全的。图4眼图响应与USB 2.0模板7轨对轨爱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。假如连续使用那个2. 5pF内部电容的轨对轨爱护元器件，假设内部钳位电压(Vbr 击穿电压)为6V,那么能够推测空气放电响应ESD ±25kV IS010605 (150pF/330) o 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。电源线爱护车载模块的电源线爱护是在汽车环境中需要关注

7、的另一个问题，那个问题涉及 IS07637-2 标准。例如，为满足IS07637-2标准，专门是图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)即可有效爱护车载模块。电源线爱护拓扑如图5所示。ElectronicModule图5电子模块电源线保护拓扑中当承担图1中的1、2、3a和3b的脉冲时，该爱护电路的特性如图6、图7、图 8、图9和图10所示。图6在脉冲1测试过程中通过TVS上的电压和电流图3在脉冲2测流过程中通过TVS上的电压和电流V=5V/dl=2A/dV«5V/dl-2A5d2ns3图7在脉冲1测试过程中，在不同。的时基内通3a TVS上的电压和电

8、流一图9在脉冲3d测试过程中工通过。芍上的电压和电流。图10在ISO7637-2脉冲%测试过程中通过"TVS上的电压和电流我们要解决的问题是依照所要排除的电涌来确定爱护元器件的参数。以图8中的 IS07637-2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4 ns。因此，可判定 TVS必须消耗360W的最大脉冲功率(Pp) o所有这些Pp、Ip和tp值是有用的， 因为它们能够关心比较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在应用的限制范畴内o 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，发觉 SMAJ24A符合IS07637-2脉冲2测试的要求，可承担长达1. 2ms的360 W指数脉 冲,那个数值远远高于IS07637-2脉冲2电涌强制的4 u s时长。图11