中心議題：

• 汽車環境中的電氣危害
• 數據線和電源線應用
• 數據線和電源線的保護

解決方案：

• USB數據線使用一個低電容的保護元器件
• 使用內部電容的軌對軌保護元器件
• 使用瞬變電壓抑製器(TVS)保護電源模塊

今(jin)天(tian)，汽(qi)車(che)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)在(zai)整(zheng)車(che)中(zhong)所(suo)占(zhan)的(de)比(bi)例(li)相(xiang)當(dang)大(da)。這(zhe)些(xie)電(dian)子(zi)模(mo)塊(kuai)雖(sui)然(ran)為(wei)汽(qi)車(che)用(yong)戶(hu)帶(dai)來(lai)了(le)舒(shu)適(shi)性(xing)和(he)安(an)全(quan)性(xing)，但(dan)與(yu)此(ci)同(tong)時(shi)

，從(cong)汽(qi)車(che)環(huan)境(jing)中(zhong)電(dian)子(zi)模(mo)塊(kuai)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)來(lai)分(fen)析(xi)
，也(ye)產(chan)生(sheng)了(le)一(yi)些(xie)不(bu)容(rong)忽(hu)視(shi)的(de)問(wen)題(ti)。

因為電子模塊對電磁幹擾(EMI)
、靜電放電(ESD)和其它電氣幹擾(汽車本身是這些危害的源頭)shifenmingan
，suoyizaiqichehuanjingzhongshiyongdianzimokuaishibixushenzhongkaolv。zhenduidangqianqichechangjiandedianqiweihai，guojibiaozhunhuazuzhichutaileduotaodianqibaohubiaozhun。qichezhizaoshanghegongyingshangbixukaolvzhexiebiaozhun
，erzhiyouzaidianzimokuaizhongzengjiabaohuyuanqijian，cainenglvxingzhexiebiaozhunsuoguidingdezhuyaozeren。liru

，chezaidianzimokuaibixuchengshoukangISO7637-2和ISO10605兩大國際標準規定的電磁幹擾和ESD瞬變電壓。

汽車環境中的電氣危害

汽車環境本身包括很多電氣危害的源頭，汽車的各種零部件，如點火開關

、繼電器觸點
、交流發電機、燃油噴射器等，都會產生電磁幹擾
、靜電放電等電氣幹擾。傳導性危害直接出現在線束內；輻射性危害則直接影響電子模塊。這些由汽車環境產生的電氣危害將會在兩個方麵影響電子模塊：數據線和電源線。

電氣危害的傳播

在汽車環境內產生的瞬變事件可能從低能量級到高能量級變化，也可能從高能量級到低能量級變化
，同時伴隨著極高的電壓斜率dV/dt。有關這些電氣危害的主要標準是ISO7637-2和ISO10605，有時還會參照IEC61000-4-2標準，因為某些廠商在ISO10605標準發布前一直使用ESD標準。

ISO7637-2是與電源線應用相關的標準
；ISO10605(某些廠商使用IEC61000-4-2)是關於所有的電子模塊的配件如電位計
、液晶顯示屏、按鈕和數據線連接器的標準。

圖1簡要描述了ISO7637-2和汽車電源線上的主要電湧。
                              
                                                    圖1ISO7637-2和汽車電源線上的主要電湧

數據線和電源線應用

數據線和電源線的限製因素不同。數據線應用通常有低線路電容的限製
，這是高速數據線功能所要求的，同時，數據線還要求高ESD保護性能。因此，選擇一個低電容和高ESD防護性能都兼顧的保護電路比較困難。

另一方麵，雖然電源線應用不需要低電容，但是，因為ISO7637-2標準施加各種脈衝，找到最適合的保護元器件也非易事。例如，甩負載電湧與繼電器開關產生的瞬變事件就要使用不同的保護元器件。
                                  
                                                               圖2如何保護高速數據線

數據線保護

以汽車音響設備的USB配件為例來探討一下USB的保護。USB接口的觸點部分可能受到ESD瞬變事件的影響

，因此，USB數據必須使用一個專用的保護元器件。因為USB數據線的數據傳輸速率通常很高(480Mb/s)，為了不降低正常工作信號的強度，就必須使用一個低電容的保護元器件，同時由它來抑製±25kVESD的ESD電湧(ISO10605)。使用圖2的拓撲可以在低電容與高效ESD抑製能力之間找到平衡點。

這個辦法的實質是在USB接口附近連接一個保護元器件。它由幾支采用軌對軌結構的二極管組成，本身具有低電容的特性。內部鉗位器件為兩條數據線提供±25kVESD(ISO10605)保護功能，以及為Vbus電源線提供保護功能。

假設軌對軌保護器件每條線的電容為2.5pF

，預測這個保護拓撲的頻響如圖3所示。

圖3中截止頻率大約為5GHz，遠離USB480Mb/s收發器的正常工作頻率，因此
，USB收發器可以安全工作。
                                       
                                                                         圖3頻響

還有一種方法可以檢查這個軌對軌保護元器件對USB協議正常工作模式的影響
，就是通過圖4的眼圖響應來分析信號數據位的完整性。
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從圖4中不難看出，USB2.0信號的完整性沒有受到太大影響，因此它的傳輸是安全的。
                                                   
                                                                  圖4眼圖響應與USB2.0模板

軌對軌保護解決方案的另一個優點是在插接外部配件時（例如汽車音響係統），能夠抑製發生在外部接口上的ESD電湧。

如果繼續使用這個2.5pF內部電容的軌對軌保護元器件，假設內部鉗位電壓(Vbr擊穿電壓)為6V，則可以預測空氣放電響應ESD±25kVISO10605(150pF/330)。當施加+25kV的ESD電湧時，模塊電子側的剩餘過壓大約為+35V；當施加-25kV的ESD電湧時，模塊電子側的剩餘過壓大約為30V。

電源線保護

車載模塊的電源線保護是在汽車環境中需要關注的另一個問題，這個問題涉及ISO7637-2標準。

例如，為滿足ISO7637-2標準
，特別是圖1中的1、2、3a和3b的脈衝要求

，隻使用一個瞬變電壓抑製器(TVS)即可有效保護車載模塊。

電源線保護拓撲如圖5所示。
                                                        
                                                      圖5電子模塊電源線保護拓撲

當承受圖1中的1

、2、3a和3b的脈衝時，該保護電路的特性如圖6、圖7、圖8、圖9和圖10所示。
                    
                                                 
                                    圖10在ISO7637-2脈衝3b測試過程中通過TVS上的電壓和電流

我們要解決的問題是根據所要消除的電湧來確定保護元器件的參數。以圖8中的ISO7637-2脈衝2為例
，不難看出
，抑製器上的鉗製電壓大約是30V，峰值脈衝電流(Ip)大約是12A，在Ip/2點測得電流脈衝時長(tp)是4μs。因此，可判定TVS必須消耗360W的最大脈衝功率(Pp)。所有這些Pp、Ip和tp值是有用的，因為它們可以幫助比較TVS數據表中的峰值脈衝功率對指數脈衝時長的曲線，以確保TVS在應用的限製範圍內。

以SMAJ24A為例，從產品數據表摘取這些參數與圖11的曲線進行比較

，發現SMAJ24A符合ISO7637-2脈衝2測試的要求，可承受長達1.2ms的360W指數脈衝
，這個數值遠遠高於ISO7637-2脈衝2電湧強製的4μs時長。
                                                  
                                           圖11峰值脈衝功率對指數脈衝時長曲線(Tjinitial=25℃)

汽qi車che環huan境jing是shi電dian氣qi危wei害hai的de主zhu要yao源yuan頭tou，電dian子zi設she備bei越yue來lai越yue容rong易yi受shou到dao幹gan擾rao，所suo以yi在zai設she計ji電dian子zi模mo塊kuai時shi
，必bi須xu慎shen重zhong考kao慮lv電dian氣qi危wei害hai。為wei了le確que保bao電dian子zi模mo塊kuai和he係xi統tong的de安an全quan，防fang護hu汽qi車che內nei部bu產chan生sheng的de各ge種zhong電dian氣qi危wei害hai，使shi用yong保bao護hu元yuan器qi件jian成cheng為wei了le常chang用yong的de方fang法fa。