汽车瞬态电压抑制器

汽车电子设计师在系统设计过程中面临着许多技术难题,这其中就包括各种电气危害中保护总线和集成电路免受其影响。以上的电气危害包括:静电放电 (ESD)、峰值切换、起动器曲柄、负载突降、点火线圈中断以及交流发电机磁场衰变。

这些电气危害造成的瞬态电压在 ISO7637-2 标准中都有描述,属于工业级别的瞬态电压。这样的瞬态电压突变会对汽车控制电路、车载娱乐电子产品、传感器、喷油器、阀门以及电机等照成损害,甚至使其无法正常运行,而如何克服此类损害恰恰是汽车电子设计过程中的一大挑战。

汽车中不同系统的电子部件之间的信号通常是通过许许多多不同的总线来完成传送。Littelfuse 是多年来可靠的瞬态抑制电压 (TVS) 二极管阵列供应商,以保障汽车各系统电子部件的安全。在不同的总线之间的是内部互联网络 (LIN) 和控制局域网络 (CAN),其中 LIN 是一种用于汽车中部件之间通信的串行网络协议,而 CAN 是一种车辆标准,该标准无需通过中枢电脑也能让车辆上不同的微控制器和设备进行通信。两者的通信传输速率相对都比较慢,分别为 40 kbits/s 和 1Mbit/s 。为了在汽车电子中使用多媒体功能及辅助驾驶摄像机,就需要采用更加高速的总线标准,进而出现了以太网(一些最新的车辆中采用了 100Mbps 的基于 BroadR-Reach® 平台的以太网总线),以及 USB 数据接口,可为乘客提供信息娱乐功能。

以太网的优点包括低布线成本,而且能够更好地满足如上的高带宽应用场景。IEEE 802.1 和 802.3 中定义了相关的以太网标准,使得以太网络协议能够满足今后标准及规格的开发(物理层和介质访问层),以满足现代网络流量的巨大需求。在汽车领域以外,以太网技术已经相当的成熟且应用广泛,将其应用于汽车行业是十分有意义的。

由于汽车安全连接及随之而来的高速数据传输需求,新型的 USB 数据端口和以外网技术在汽车电子系统中正迅速普及。正如传统的总线及接口需要保护免受瞬态电压峰值的影响,新型的总线也需要保护免受汽车电子系统的影响。解决方案中需要有一下特点:快速响应时间、低的 RDYN 值(即低钳位电压)、低电容和低泄漏电流。Littelfuse 的瞬态抑制电压 (TVS) 二极管及阵列是一种十分理想的器件,用于保护这种新型数据接口和以太网总线免受以上列举的各种瞬态电压影响。TVS 二极管和阵列香蕉其它电路保护装置能够更快的响应电压过载,而且可提供多种形式的电路安装板样式。通常 TVS 设备会尽可能接近端口连接器。当电路中出现瞬态电压过载现象,TVS 结式二极管发生“雪崩效应”,提供一个低阻抗的通道用于将瞬态电流导流至大地,以免持续对设备造成损坏,同时将电压限制在一定范围(通常称为钳位电压),使得电路组件和处理器免受损坏。除了保证电路组件不受瞬态电压影响之外,还需要保证通信中数据包的信号完整性,因此 TVS 设备的电容要特别低。

市面上,Littelfuse 提供了各种各样的 TVS 二极管及阵列(AEC-Q101),汽车电子系统设计师可选用这些组件来降低电路中瞬态电压的影响。其中针对汽车领域以太网总线和 USB 数据接口(图 1)推出的是SP3012、SP3014 和 SP3022 产品线。

 

图 1 针对 USB 2.0 接口的标准保护方案

其低负载电容特性(1pF)使得其成为了保护高速信号传输,如 USB2.0 和 1Gb 以太网的理想设备,同时其还具备极低的动态电阻(市面上 SP3012 和 SP3014 系列的动态电阻最低,相应的钳位电压也最低,因此具有极佳的钳位性能),可用于保护最先进的、极为敏感的芯片组免受 ESD 瞬态电压干扰。该设备还具有低漏电流特性,且接触放电范围从 +\- 12 kv 到 +\- 20 kv。还提供多种面向工业标准界面的安装设备(图 2),有利于电路板印制。

 

图 2 TVS 组件的表面安装包

选择 TVS 二极管时需要注意一些重要的参数:保护二极管的反向工作电压 (VR),峰值脉冲电流 (IPP) 以及最大钳位电压 (VC max)。Littelfuse TVS 二极管性能如下:低增浪涌电阻,可提供单极性和双极性特性,反向工作电压范围为 5V 到 495V,峰值功率为 400W 到 30 KW。用户可参考 TVS 二极管选取指导,汽车行业 TVS 二极管应用附注,以及 AEC-Q101 qualified TVS and Diode Arrays Selection Guide 等了解该类设备的选取方法,还可以通过以上手册了解 Littelfuse 在工业标准中处于核心地位的 TVS 二极管和表面贴装包。(图 3)

 

图 3 汽车 TVS 二极管的行业标准

Littelfuse 长期致力于为汽车行业提供可靠的解决方案,用于保护汽车敏感电子产品,主要包括车载系统以下四个方面:安全性、性能和排放、舒适度与方便性,以及混合动力。Littelfuse 通过跟行业领先的客户合作提供服务,拥有超过 80 年的电路保护以及产品应用经验,为电路系统设计师提供瞬态抑制二极管及阵列,该类产品通常具有低钳位电压,多种包装尺寸,以及无限的使用期限,这些优点保证了 Littelfuse 在未来数年内都能成为 TVS 产品的可靠供应商。
 

 

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