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,，將眾多特征和功能連接在一起,，如內置控制、移動媒體和無線網(wǎng)絡,。信息娛樂系統(tǒng),、遠程信息處理、安全控制等的應用均需使用幾種現(xiàn)有的網(wǎng)絡標準,，如LIN,、CAN、MOST,、IDB- 1394,、FlexRay、Byteflight ,、內置控制藍牙和其他標準,。網(wǎng)絡應用可通過線束進行物理連接。絕大多數(shù)內置控制器,、內置或接插式多媒體以及無線網(wǎng)絡功能通過車載電池直接供電或通過點火開關通電,。不斷增多的敏感車載電子設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,，將眾多特征和功能連接在一起,，如內置控制、移動媒體和無線網(wǎng)絡,。信息娛樂系統(tǒng),、遠程信息處理、安全控制等的應用均需使用幾種現(xiàn)有的網(wǎng)絡標準,，如LIN,、CAN、MOST,、IDB- 1394,、FlexRay、Byteflight ,、內置控制藍牙和其他標準,。
網(wǎng)絡應用可通過線束進行物理連接。絕大多數(shù)內置控制器、內置或接插式多媒體以及無線網(wǎng)絡功能通過車載電池直接供電或通過點火開關通電,。不斷增多的敏感車載電子設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,。特別關注的是，這些電源系統(tǒng)上的瞬態(tài)變化應滿足 ISO7637-2和ISO10605標準,。
甩負荷和跨接起動產生了最具能量的瞬態(tài),。當汽車啟動時會產生6V的瞬態(tài)突變，導致電源電壓降至6V,。當交流發(fā)電機產生充電電流時,，充電電池與交流發(fā)電機斷開，從而產生出甩負荷,。
+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)動機的轉速。
超出電池電壓的過電壓突然變更會導致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生的,。
圖 2顯示數(shù)據(jù)線路上產生的瞬態(tài)主要是ESD浪涌。盡管此類浪涌為低能量,，但是會產生強大的電磁場。
表1列出了幾種網(wǎng)絡應用以及常用于防止電路損傷的泰科電子的設備,。
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浪涌測試可應用于整個系統(tǒng),，并可模仿人體接觸周圍電子模塊所產生的ESD影響。AEC-Q標準注重設備強度,，包括人體模型測試,、機械模型測試和充電設備模型測試（AEC-Q200針對無源元件而AEC-Q101適合分立的半導體）。
避免網(wǎng)絡和聯(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生損傷,，對于汽車制造商和元件供應商都提出了復雜的設計要求。
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)絡并補充了現(xiàn)有的車載服用網(wǎng)絡,。LIN的典型應用包括開關、驅動器（如抬窗鎖門模塊）,、調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,、照明,、雨刷感應器、智能雨刷,、智能交流發(fā)電機和開關面板）,。
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,。連接應用模塊至車載網(wǎng)絡使其可進行診斷和提供服務,。
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,，總線路和ECU內部供電（VSUP）之間不可形成寄生電流通路。這會對電路中的ESD浪涌遏制設備產生影響,。
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)絡應恢復正常工作。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，顯示出一個設置在功率輸入的可復位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)絡應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計，但是也應用到許多其他產業(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用可復位PolySwitch設備和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生的電磁輻射(EME)的影響。
泰科車載級PolySwitch 設備達到AEC-Q200和SAE2685的嚴格要求,，且具有大范圍的電氣特征和結構因子從而提供最有效的保護方案,。
PolySwitch 設備如同傳統(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,。它的另外一個優(yōu)點是具有相對靈活的結構因子,，使其可以直接安裝到電路板上和設置在電子模塊、接線箱和配電中心內部,。
泰科電子的MOV設備可以與設備或被保護元件平行安裝,。如果出現(xiàn)過電壓情況，MOV設備迅速從高阻狀態(tài)轉入低阻狀態(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，過電壓設備為高阻設備,，不應對常規(guī)系統(tǒng)操作產生影響,。該設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備,，如DVD播放器、耳機,、GPS設備和聲音控制,。
實際上，MOST是一個節(jié)點網(wǎng)絡,，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,，連同可復位過電流保護的PolySwitch設備。低電容PESD設備或 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車載結構可分為內置網(wǎng)絡和客戶便利端口,，簡稱CCP，如圖7所示,。該標準顯示了一種類似于現(xiàn)有MOST標準的一種內置塑料光纖（POF）車載網(wǎng)絡,。然后，該網(wǎng)絡更加穩(wěn)固且更易使用,。多種電子元件可以連接到此網(wǎng)絡,，如DVD播放器,、視屏顯示器、導航系統(tǒng),、無線電主機以及通訊設備,。
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備連接到車輛,，通過IDB-1394接口獲取音頻和視頻服務,。CCP端口采用標準連接器，專為該設備供電而設計,。
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備是否已經(jīng)通電而擔憂。
IDB-1394 為高速多媒體應用而設計,，總線速度高達800Mbps且要求通電端口具有可復位過電流保護,。如圖8所示，PolySwitch設備可用于在出現(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)所產生的損害,。低電容PESD設備或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)議專為線控應用所設計,，如線控剎車和線控方向盤,。該線控網(wǎng)絡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。
該結構支持一“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的調整后過電流/過電壓保護方案,。該方案利用一個PolySwitch設備進行過電流保護，
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)結構中使用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,。
構成該網(wǎng)絡的元件，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備創(chuàng)造了新的市場前景,，如手機、MP3播放器和導航設備,。
保護暴露在外的通訊界面不受因天線和儀器無線(RF)界面所產生的ESD和其他電壓浪涌的影響是一個相當重要的設計問題,。圖2顯示了一個PolyZen集成過電流/過電壓設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和擴音器界面上出現(xiàn)電壓瞬態(tài),。PESD設備可以用于避免電線出現(xiàn)ESD浪涌,。
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