Tyco車載信息中心電路保護措施
Tyco Electronics公司
摘要： 新型客車、卡車、公共汽車甚至摩托車都已成為移動的網(wǎng)絡(luò)，將眾多特征和功能連接在一起，如內(nèi)置控制、移動媒體和無線網(wǎng)絡(luò)。信息娛樂系統(tǒng)、遠程信息處理、安全控制等的應(yīng)用均需使用幾種現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)標準，如LIN、CAN、MOST、IDB- 1394、FlexRay、Byteflight 、內(nèi)置控制藍牙和其他標準。網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可通過線束進行物理連接。絕大多數(shù)內(nèi)置控制器、內(nèi)置或接插式多媒體以及無線網(wǎng)絡(luò)功能通過車載電池直接供電或通過點火開關(guān)通電。不斷增多的敏感車載電子設(shè)備容易受到電氣系統(tǒng)本身、人為干擾或甩負荷變化的影響。
Abstract：
Key words :
新型客車、卡車、公共汽車甚至摩托車都已成為移動的網(wǎng)絡(luò)，將眾多特征和功能連接在一起，如內(nèi)置控制、移動媒體和無線網(wǎng)絡(luò)。信息娛樂系統(tǒng)、遠程信息處理、安全控制等的應(yīng)用均需使用幾種現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)標準，如LIN、CAN、MOST、IDB- 1394、FlexRay、Byteflight 、內(nèi)置控制藍牙和其他標準。
網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用可通過線束進行物理連接。絕大多數(shù)內(nèi)置控制器、內(nèi)置或接插式多媒體以及無線網(wǎng)絡(luò)功能通過車載電池直接供電或通過點火開關(guān)通電。不斷增多的敏感車載電子設(shè)備容易受到電氣系統(tǒng)本身、人為干擾或甩負荷變化的影響。
圖1中顯示了最常見的電源軌瞬態(tài)，從嚴重的低電平—高能量到高電平—低能量的瞬態(tài)變化。特別關(guān)注的是，這些電源系統(tǒng)上的瞬態(tài)變化應(yīng)滿足 ISO7637-2和ISO10605標準。
甩負荷和跨接起動產(chǎn)生了最具能量的瞬態(tài)。當汽車啟動時會產(chǎn)生6V的瞬態(tài)突變，導(dǎo)致電源電壓降至6V。當交流發(fā)電機產(chǎn)生充電電流時，充電電池與交流發(fā)電機斷開，從而產(chǎn)生出甩負荷。
+100/-150V的峰電位是由于電燃汽油混合物時的點火程序所產(chǎn)生的。峰電位的頻率決定于汽缸的數(shù)量和發(fā)到發(fā)動機的轉(zhuǎn)速。
超出電池電壓的過電壓突然變更會導(dǎo)致24V的跨接起動瞬態(tài)。電池顛倒瞬態(tài)是由無意的顛倒電池而產(chǎn)生的。
圖 2顯示數(shù)據(jù)線路上產(chǎn)生的瞬態(tài)主要是ESD浪涌。盡管此類浪涌為低能量，但是會產(chǎn)生強大的電磁場。
表1列出了幾種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用以及常用于防止電路損傷的泰科電子的設(shè)備。
數(shù)據(jù)線路可以包括媒體傳輸線、數(shù)據(jù)總線和傳感器數(shù)據(jù)線路，應(yīng)特別注意是否符合AEC-Q和ISO 10605標準。ISO10605 ±25kV的ESD浪涌測試可應(yīng)用于整個系統(tǒng)，并可模仿人體接觸周圍電子模塊所產(chǎn)生的ESD影響。AEC-Q標準注重設(shè)備強度，包括人體模型測試、機械模型測試和充電設(shè)備模型測試（AEC-Q200針對無源元件而AEC-Q101適合分立的半導(dǎo)體）。
避免網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)接元件受上述各種過電流、過電壓或過熱情況的影響而產(chǎn)生損傷，對于汽車制造商和元件供應(yīng)商都提出了復(fù)雜的設(shè)計要求。
LIN拓撲：電路保護措施
12V 直流電情況下單線運行的總線速度達到20kbps，LIN（本地互聯(lián)網(wǎng)）提供低成本的車載網(wǎng)絡(luò)并補充了現(xiàn)有的車載服用網(wǎng)絡(luò)。LIN的典型應(yīng)用包括開關(guān)、驅(qū)動器（如抬窗鎖門模塊）、調(diào)整舒適度的身體控制電子元件（如門、方向盤、座位和視鏡模塊）、以及電動機和傳感器（如恒溫空調(diào)、照明、雨刷感應(yīng)器、智能雨刷、智能交流發(fā)電機和開關(guān)面板）。
LIN總線拓撲利用一臺獨立主機或ECU（電子控制單元）以及多個節(jié)點，如圖3所示。連接應(yīng)用模塊至車載網(wǎng)絡(luò)使其可進行診斷和提供服務(wù)。
除非在LIN標準中明確說明以外，所有電壓可參照當?shù)谽CU接地且正電流流入ECU。如果存在一個集成電阻/二極管網(wǎng)絡(luò)，總線路和ECU內(nèi)部供電（VSUP）之間不可形成寄生電流通路。這會對電路中的ESD浪涌遏制設(shè)備產(chǎn)生影響。
LIN總線標準要求當LIN總線路因正電壓小于 26.5V或接地而出現(xiàn)短路時，網(wǎng)絡(luò)應(yīng)恢復(fù)正常工作。物理層上的ESD浪涌電阻根據(jù)IEC61000-4-2要求必須符合最低放電電壓電平±2kV。然而，ECU連接器上可能會出現(xiàn)達到±8kV的電平。
需要通過過電流保護對出現(xiàn)故障或過載現(xiàn)象時進行過電流限制。同時也需要通過電路保護設(shè)備限制電壓尖峰或處于穩(wěn)定的過電壓狀況。
圖4為協(xié)同的電路保護圖，顯示出一個設(shè)置在功率輸入的可復(fù)位PolySwitch器件如何在電源輸入端保護ECU和LIN節(jié)點連接器免受過電流情況的損傷，以及一個MLV（多層電壓敏電阻器）如何為車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供所需的高電流處理和能量吸收的過電壓保護。
CAN 拓撲：電路保護措施
CAN (控制域) 標準具有中速的特點 (高速CAN達到1Mbps)。單通道、雙線且容錯，此協(xié)議是最普遍使用的車載總線設(shè)計，但是也應(yīng)用到許多其他產(chǎn)業(yè)中。
CAN總線收發(fā)器可允許總線供電電壓高達+/-80V直流電。然而，甩負荷浪涌會產(chǎn)生出比ISO-7637-2標準（最大86.5V）中規(guī)定的更高瞬態(tài)，可能會損傷收發(fā)器。收發(fā)器的操作電流也因供貨商的不同而有所差異。
圖5顯示了如何在電源輸入端應(yīng)用可復(fù)位PolySwitch設(shè)備和MOV（金屬氧化電壓敏電阻器）從而避免因車載供電系統(tǒng)中心的浪涌電流和電壓異常而產(chǎn)生的損傷。
CAN 接收器I/O上的兩個MLV可提供較低電容分路防護，避免共模電壓階躍而產(chǎn)生的電磁輻射(EME)的影響。
泰科車載級PolySwitch 設(shè)備達到AEC-Q200和SAE2685的嚴格要求，且具有大范圍的電氣特征和結(jié)構(gòu)因子從而提供最有效的保護方案。
PolySwitch 設(shè)備如同傳統(tǒng)保險絲一樣在出現(xiàn)故障時阻斷危險的高電流。但是與傳統(tǒng)保險絲不同的是它可以在故障排除，電路重啟后自動恢復(fù)。它的另外一個優(yōu)點是具有相對靈活的結(jié)構(gòu)因子，使其可以直接安裝到電路板上和設(shè)置在電子模塊、接線箱和配電中心內(nèi)部。
泰科電子的MOV設(shè)備可以與設(shè)備或被保護元件平行安裝。如果出現(xiàn)過電壓情況，MOV設(shè)備迅速從高阻狀態(tài)轉(zhuǎn)入低阻狀態(tài)，從而將元件上的瞬態(tài)電壓降至安全的工作電平。正常工作情況下，過電壓設(shè)備為高阻設(shè)備，不應(yīng)對常規(guī)系統(tǒng)操作產(chǎn)生影響。該設(shè)備的低漏電功能也可改善電池的放電率。
MOST拓撲：電路保護措施
MOST (媒體導(dǎo)向系統(tǒng)傳輸)可為塑料光纖同步和異步數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊曨l和音頻功能和支持速度高達40+Mbps。MOST收發(fā)器適用于需要進行實時處理的高寬帶設(shè)備，如DVD播放器、耳機、GPS設(shè)備和聲音控制。
實際上，MOST是一個節(jié)點網(wǎng)絡(luò)，用于傳輸車載多媒體和信息娛樂系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種不同信號和數(shù)據(jù)流。
MOST標準支持多種物理接口，如圖6所示。MOST標準中，這些應(yīng)用可參考功能塊。每個功能塊包括幾種功能（如一個CD播放器可以包括播放、停止、彈出和播放時間等功能）。
MLV通常用于ESD保護的供電總線，連同可復(fù)位過電流保護的PolySwitch設(shè)備。低電容PESD設(shè)備或 PESD陣列可安裝在ESD保護的數(shù)據(jù)線路上。
IDB- 1394拓撲：電路保護措施
IDB-1394車載結(jié)構(gòu)可分為內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)和客戶便利端口，簡稱CCP，如圖7所示。該標準顯示了一種類似于現(xiàn)有MOST標準的一種內(nèi)置塑料光纖（POF）車載網(wǎng)絡(luò)。然后，該網(wǎng)絡(luò)更加穩(wěn)固且更易使用。多種電子元件可以連接到此網(wǎng)絡(luò)，如DVD播放器、視屏顯示器、導(dǎo)航系統(tǒng)、無線電主機以及通訊設(shè)備。
CCP 端口包括一個車載等級1394b的物理層和連接器，允許用戶將便攜式設(shè)備連接到車輛，通過IDB-1394接口獲取音頻和視頻服務(wù)。CCP端口采用標準連接器，專為該設(shè)備供電而設(shè)計。
其供電特點無需額外電池或單獨電源線，讓客戶無需為插入的設(shè)備是否已經(jīng)通電而擔(dān)憂。
IDB-1394 為高速多媒體應(yīng)用而設(shè)計，總線速度高達800Mbps且要求通電端口具有可復(fù)位過電流保護。如圖8所示，PolySwitch設(shè)備可用于在出現(xiàn)故障時限制危險高電流。MLV可安裝到供電總線上避免ESD浪涌和過電壓瞬態(tài)所產(chǎn)生的損害。低電容PESD設(shè)備或PESD陣列也可安裝在數(shù)據(jù)線路上幫助提供ESD保護。
FlexRay 拓撲：電路保護措施
FlexRay協(xié)議專為線控應(yīng)用所設(shè)計，如線控剎車和線控方向盤。該線控網(wǎng)絡(luò)方式支持同步和異步數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸率約為10Mb/s，具有時間觸發(fā)和事件觸發(fā)行為、冗位和容錯的特點。
該結(jié)構(gòu)支持一“束”2個節(jié)點至64個節(jié)點，其功能主要依靠于兩種類型的處理器—ECU和“活動星”。 FlexRay通訊通過一個常用總線或一個星形連接在ECU之間進行。FlexRay元件的總線輸入必須避免在總線路和系統(tǒng)供電電壓或地電位之間出現(xiàn)短路現(xiàn)象。
圖9顯示了ECU的調(diào)整后過電流/過電壓保護方案。該方案利用一個PolySwitch設(shè)備進行過電流保護，
byteflight 拓撲：電路保護措施
byteflight協(xié)議是一個車載數(shù)據(jù)總線，為提供車載元件之間進行非常安全且容錯的電子通訊手段而開發(fā)。byteflight在總線、星形或集群配置中通過2線或3線塑料光纖（POF）達到10Mbps以上的速度。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中使用POF使其功能能夠在數(shù)據(jù)方面達到電氣上的獨立。然而，節(jié)點仍然從車載供電總線處獲得電流，而且會受到電磁干擾的影響。
構(gòu)成該網(wǎng)絡(luò)的元件，如微處理器、 byteflight控制器和光收發(fā)器，容易因供電尖峰和反向電壓而受到損傷。集成電路(ICs)或許包括ESD保護，但是通常限制在2kV以下。
如圖10所示，PolySwitch設(shè)備和MLV可以保護這些模塊不受高能量過電壓和過電流瞬態(tài)的影響而產(chǎn)生損傷。
藍牙拓撲：電路保護措施
藍牙標準雖然最初并非為車載環(huán)境而設(shè)計，但已經(jīng)為車輛和其系統(tǒng)之間進行溝通的移動電子設(shè)備創(chuàng)造了新的市場前景，如手機、MP3播放器和導(dǎo)航設(shè)備。
保護暴露在外的通訊界面不受因天線和儀器無線(RF)界面所產(chǎn)生的ESD和其他電壓浪涌的影響是一個相當重要的設(shè)計問題。圖2顯示了一個PolyZen集成過電流/過電壓設(shè)備如何幫助保護藍牙模塊的功率輸入。MOV或表面安裝的MLV也可用于避免車載麥克風(fēng)和擴音器界面上出現(xiàn)電壓瞬態(tài)。PESD設(shè)備可以用于避免電線出現(xiàn)ESD浪涌。
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