如何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。
　　图1 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。

    
　　图2 如何保护高速数据线
　　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USB 480Mb/s收发器的正常工作频率，因此，USB收发器可以安全工作。

      
　　图3 频响
　　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。

     
　　图4 眼图响应与USB 2.0模板
　　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。

     
　　图5 电子模块电源线保护拓扑
　　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。

 
　　图6 在脉冲1测试过程中      图7 在脉冲1测试过程中，在不同
　　通过TVS上的电压和电流    的时基内通过TVS上的电压和电流

　　图8 在脉冲2测试过程中         图9 在脉冲3a测试过程中
　　通过TVS上的电压和电流         通过TVS上的电压和电流

      
　　图10 在ISO7637-2脉冲3b测试过程中通过TVS上的电压和电流
　　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脉冲2电涌强制的4μs时长。

     
　　图11 峰值脉冲功率对指数脉冲时长曲线(Tj initial=25℃)
　　汽车环境是电气危害的主要源头，电子设备越来越容易受到干扰，所以在设计电子模块时，必须慎重考虑电气危害。为了确保电子模块和系统的安全，防护汽车内部产生的各种电气危害，使用保护元器件成为了一种常用的方法。