汽车网络的电路保护

【中心议题】

• 介绍了汽车网络电路保护的要求
• 阐述了汽车网络电路保护的方法

【解决方案】

• 把类似电路分在一起并用一个保除丝保护它们
• 使用PPTC电路保护器

新的汽车设计大量地依赖于电子电路来降低成本，改进可靠性和增加性能。汽车上增加的电气和电子系统使得电路保护成为关键的设计问题。无源元件的新汽车电子协会标准和IDB-1394多媒体网络要求正在提出用可再设置的聚合物正温度系数(PPTC)器件技术，来帮助保护汽车网络和电子元件因短路和过载引起的损坏。

生活类信息和娱乐设计进入汽车汽车业正在开发开放网络标准以降低成本、保持不过时，以及加快上市时间。用在消费类信息和娱乐系统中的技术比汽车设计周期超前5~7年，移动娱乐类产品正在汽车和汽车零件市场迅速增长。一个通用总线可帮助汽车商和电子制造商满足消费者需求，保证在任何时间把新性能器件加到汽车上。

AMI-C(汽车多媒体接口协作体)是汽车制造商的国际组织，其工作是为移动信息和娱乐系统建立共同的核心要求。做为这种努力的一部分，AMI-C正在开发全球网络标准，使得电子装置(包括移动电话、PDA和CD充电器)能自动地跨过不同的汽车平台相互配置和通信。

被考虑的标准之一是IEEE1394串行总线(通常称之为Fire Wire和i.LINK)。1394联合汽车工作组，正在开发一个汽车附录IDB-1394，这是为高速多媒体应用(在汽车中需要大量快速变化的信息)设计的。IDB-1394具有下列特性：

●支持所保证带宽的能力

●热插拔

●为端口集成和板空间统一提供通用I/O

●提供小型、灵活和廉价缆线和连接器

●支持节点分支和菊花链结构的灵活拓扑。

IDB-1394结构

IDB-1394规范定义了用户设备端口(CCP)和嵌入式塑料光纤(POF)汽车网络(见图1)，这类似于MOST(媒体定向系统传输)标准。然而，IDB-1394网络更健全、具有更高的数据率和更容易实现。此网络可以连接各种电子装置，如DVD播放机、导航系统和通信设备。

CCP包含汽车牌号两种文字1394物理层和连接器，使用户通过IDB-1394接口，把便携类消费电子装置放入汽车来接入音频和视频服务。CCP采用标准连接器，并为接入的装置提供电源，这可消除所需的大电池或独立电源线。

IDB-1394提供两种传输模式：单纯的1394b beta模式和通用的bilingual模式。

电路保护要求

供电端口要求过流保护和符合已有总线系统的电源标准。因为CCP要传输信号和电源，所以在短路或损坏器件(即损坏电缆或连接器)插入端口时，必须保护它防止损坏。这可能是经常发生的，所以，CCP短路保护必须有效和可靠。

设计人员有几种电路保护选择。保险丝能使电流中断，但保险丝可能疲劳。另外，保险丝只能用1次，所以，在每次故障事件后，必须重新替换。双金属开关的局限性是周期性工作和触点焊接断路的可能性。人们也可以选择功率管理IC，但成本较高。

像传统保险丝那样，PPTC器件在故障期间限制危险的大电流流过。但又不像传统保险丝，在故障消除和加到电路上的电源去除之后，PPTC器件复位。因为，在它们断开之后，一般不必替换器件，所以，PPTC器件是实现CCP短路保护的一种实用方法。PPTC器件也保护连接到汽车网络上的GPS部件，CD充电器、立体声音响和其他电子外设(见图2)。

可再设置电路的保护应用

42V Power Net和暂行双电压网络的采用，为在电气和电子系统结构中的新技术应用提供很多机会。电源分布配置，更复杂的电子模块和更小固定汽车布线刚好是可再设置电路保护起作用的少数变换领域。

汽车布线保护

功率增加导致汽车布线变复杂，使汽车增加连线、重量和封装限制。尽管理论上每个负载可以用本身的专用保险丝保护，但保险丝在烧坏后必须替换。这要求保险丝安置在可存取的保险盒中，这种要求限定了系统结构并迫使要兼顾封装和系统布置。

通常的方法是把类似电路分在一起并用一个保除丝保护它们。保险丝大小必须能承载每个被保护负载的消耗电流之和，并限制损坏和火险，而且，从保险丝到每个负载的馈线必须根据保险丝大小来选择。实际设计往往导致用大电流承载能力的过大尺寸线馈入需要相当小电流的负载。用大尺寸线也需要较大的端子和连接器，这会进一步增加成本、大小和重量。这也会增加汽车布线和汽车重量，这会影响燃料效率。

因为，在故障条件去除和电路中去掉电源时，PPTC器件复位，所以，它们通常不需要常规替换或服务，而且可放置在汽车的门和开关配件内、仪表板后面、电子模块内和其他不存取的地方。如图3所示，贯穿在汽车内放置电路保护器件，使电源以最直接和有效的路径运行而不通过中央保险丝盒。这减少了汽车布线中的连接数并减小了重量和长度。

电子控制模块保护

随着更多电路封装在更小封装内，印刷电路板上铜连线宽度在减小。因为，汽车零件一般由大电流电路供电，所以，窄线宽连线可能会被过大的电流烧坏。

电子模块输出通常需要由短路或马达失速、大电流所引起的过流进行保护。电子模块也可能被系统其他部分(如二极管短路或电源地失效)损坏。用保险丝解决这些问题是不可接收的方案，因为保险丝是一次用器件。这种应用中经常用的是多元件电路(用于感测和开关)或SmartFET，而这些电路需要仔细设计、要占用宝贵的板空间，还有成本问题。

PPTC电路保护器是防止电子模块损坏(由于过流/过温条件引起)的一种实用经济的方法。这些器件经常用于计算机和外设中IEEE1394输出的电流限制及GPS、DVD、无线电、电信通信板上的电子模块保护。因为PPTC器件能快速有效地限制电流到安全电平、以及尺寸小、可直接安装在电路板上，所以，控制模块中的每个电源电路可用单个器件进行单独保护。

小电机保护

应用中的大多数汽车执行机构在达到其移动范围(即移动座位或关车窗)结束之前一直在运动。但由于手动控制这些动作，故机器达到其运动限制之后，执行机械可能保持激励。当这种情况发生时，执行机构停止转动，而它的反电动势下降到零。相对于电源电压的零电动势，使执行机构的电流迅速上升，达到2～4倍正常工作值之间的电平。

因执行机构的绕组是用小号线，所以，大的停止转动电流导致温度上升。在次级，温度可能高到足以永久地损坏执行机械绕组中隔离线的保护漆。随着隔离性能的丧失，导致绕组短路，引起热功障。

PPTC器件可与电机绕组串联连接，为了良好的热耦合，一般安装在电机端盖内。当绕组的电流/温度升到高于一定值时，PPTC器件锁定到高阻状态，限制电流到低电平并防止损坏执行机构。在故障和电源去掉以及PPTC器作冷却后，器件复位，使得正常电流流过。

选择PPTC电路保护器件

PPTC器件所具有的低电阻、快速关闭时间和小尺寸有助于改善小占位中的电子可靠性。它们与大量的电子部件技术兼容，适用于表面贴装、径向引线或定制配置，具有宽范围的电压、电流、电阻、温度规格。为了为专门应用选择最好的器件，电路设计人员应该考虑如下的设计准则：

选择合适的形状因数。选择有径向引线，表面贴装或片元件。在电路板上安装喜欢径向引线或表面贴装。径向元件通常波峰焊接在板上。片元件设计用于压在电机中的夹片。这些元件往往为专门应用定制设计。

选择电压额定值。被选的PPTC器件的电压额定值应该等于或大于特殊电路中的源电压。所希望的失效电压，不应该大于PPTC器件的电压额定值。当PPTC器件释放时，电路电压的大部分将呈现在它身上，因为它是电路中最高电阻的元件。

选择适当环境工作温度的保持电流额定值。保持电流是在特定环境温度下PPTC器件可以承载而不释放到高阻抗态的最大稳态电流。因为，PPTC器件是热器件，所以，保持电流随温度升高而减小。从PPTC器件制造厂家可得到器件和给定温度的保持电流实际值。设计人员必须选择PPTC器件，在最高环境温度时保持电流等于或大于稳态工作电流。

检查释放时间。PPTC器件制造厂家提供精确的释放时间曲线，表明在不同电流时PPTC器件是如何快速释放。设计人员应该确定可能发生什么样的失效电流和在这些失效电流时最敏感系统元件如何快速地损坏，然后选择一个PPTC器件，能在这些元件损坏之前释放。在很多应用中，有来自电容或电机的启动浪涌电流。通常这种冲击电流所具有的能量不足以释放PPTC器件，但设计人员应该确认其应用中的性能超过所希望环境条件的范围。

检查最大中断电流。PPTC器件通常具有一个最大中断电流额定值(即最大的失效电流，在此电流时，器件始终如一地中断而保持功能)。

结语

在可热插拔汽车环境下，消费者在供电端口连接和断开外设，此时短路损坏的可能性是存在的。PPTC器件为这种情况提供有效的过流保持。这些可再设置电路保护器件也有助于汽车电子元件和小电机制造商根据经销商的要求提供安全和可靠产品，并降低保单和维修费用。