新一代汽车的电子系统保护方案

导语

消费者需求和竞争压力迫使汽车制造商在汽车上增加了越来越多的功能和特性,这已经影响到汽车的电子、电气架构和所用的元器件。

  提高燃油经济性和减少二氧化碳排放的全球化行动向汽车行业提出了巨大的挑战,减轻汽车重量是目前制造商采取的最常见策略之一。由于电动汽车(EV)和混合动力汽车(HEV)也可用于解决全球的能源与碳排放危机,汽车制造商和电池制造商正在迅速开发新的材料和解决方案以推进这些技术的发展。

  联网生活方式也已经渗透到汽车中,并已极大地影响新的汽车设计。消费者需求和竞争压力迫使汽车制造商在汽车上增加了越来越多的功能和特性,这些功能和特性进而影响到汽车的电子/电气架构和所用的元器件。

  更环保、更轻的设计

  对今天的汽车工程师来说,提高燃油经济性和减少温室气体(GHG)排放已经成为重要的设计准则。显而易见,电动汽车和混合动力汽车是应对这些挑战的解决方案,但减轻汽车重量的技术也能提供一些明显的好处,因为减轻汽车重量和滚动阻力可以降低对能源的需求,并有效地减少二氧化碳排放。

  除了提高元器件集成度和使用先进材料有助于汽车制造商减轻汽车重量之外,线束重量也是一个让人特别感兴趣的领域,并已经吸引设计工程师重新审视他们的设计方案,以防止汽车电源功能因大电流故障情况而受损。

  设计工程师面临的一个挑战是保留和/或增加电路保护器件,它们有助于保护汽车电子系统因可能的过载情况而受损,同时降低总体成本和重量。由于一辆汽车通常可能包含数百个电路和超过一公里的导线,布线系统的复杂性可能使得传统电路设计技术难以使用,并可能导致不必要的过度设计。

新一代汽车的电子系统保护方案

  图1:典型的集中式架构。

  许多制造商已经发现,将分布式架构和可复位聚合物正温度系数(PPTC)过流保护器件结合使用可以显著减轻汽车重量。图1和图2显示了传统集中式架构和分布式架构之间的差异。集中式方案要求每个模块由接线盒中一个独立的熔丝保护,见图中黄 色部分。在这种”星形”架构中,每个功能也要求独立的导线,因而增加了重量和成本。相反,在由电源总线供电多个接线盒的分布式架构中,从接线盒出来的每根导线都可以得到一个可复位电路保护器件的保护。

新一代汽车的电子系统保护方案

  图2:典型的分布式架构。

  过去,机械强度规定汽车中使用的最细导线直径为0.35平方毫米(22 AWG),它能承载的电流范围从8A至10A。这个限制在一定程度上抵消了低电流信号电路(如8A以下)中使用PPTC器件带来的好处。不过,目前的导线材料技术可以在给定载流能力下支持更小直径的导线,包括直径0.13平方毫米(26 AWB)、最大电流为5A的导线。当使用分布式架构和PPTC过流保护时,这种先进技术可以减轻更多的重量。

  可替代的电源系统

  虽然电动汽车完全成为主流还需要一定的时间,但一些制造商深信面向大众市场的零排放汽车时代已经来临。当谈到针对未来交通开发的技术时,电动汽车和电池产业毫无疑问是焦点所在,当前研发工作重点放在提高电池存储容量和加快电池充电时间。通过与汽车和电池制造商的合作,TE Connectivity公司目前正在为这一新兴市场领域开发新的技术和解决方案。

  图3显示了PPTC技术如何应用于混合动力汽车和电动汽车电池模块中的过温检测。该例使用了一个热敏传感器阵列来监视单节电池故障。由于给PPTC器件加热会使器件电阻迅速非线性上升,因此这种解决方案可以实现快速、精确的电池温度感测。如图所示,一节发热的电池由于迅速上升到指定检测温度而被”标记”了出来。

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  图3:用于混合动力汽车和电动汽车电池模块的热指示阵列。在本例中,红色电池温度超过了指定阈值,PPTC器件进入高阻状态。

  功率电子应用在兴起

  越来越多的传统机械功能正在升级到电子应用,如电动助力转向和电子停车系统。这些大功率、高温度应用对功率电子系统提出了更高的要求,当powerFET、电容、电阻或IC等功率器件由于长期暴露在苛刻环境下而发生故障时,有可能产生严重的热问题。

  提高功率器件性能、使用散热更均匀的设计技术、采用新的散热材料是目前已经提出的用于增强热管理性能的一些解决方案。不过,设计工程师仍在很大程度上依赖二级保护来阻止因功率器件故障或腐蚀导致过热而产生的热失控。

  最常用的方法是使用热熔丝/热切断(TCO)或热开关。这些器件都能向设计工程师提供交流和直流应用中宽泛和特定的温度激活特性,但在电路板组装过程中存在一些问题。因为越来越多的PCB只使用表面贴装器件(SMD),而使用通孔器件需要专门的安装过程,进而带来额外的成本和复杂性。此外,标准器件可能无法提供汽车应用所需的耐用性和可靠性。而能够用于汽车环境的器件经过了完整的测试,以满足严格的冲击和振动规范要求,并提供合适的直流额定值。

  泰科电子最近推出了一款适用于汽车应用的回流热保护(RTP)器件,这是一种可以切断电流的二级保护器件,有助于防止因功率器件故障和PCB走线过热而出现的损害。这种解决方案通常消除了对厚重散热器、冗余FET和继电器的需求。而这些需求广泛地存在于电子控制单元、HVAC、ABS、电动助力转向系统、DC/DC转换器和PTC加热器中。

  如图4所示,当RTP器件靠近powerFET安装时,它能够追踪FET温度。当FET超过正常工作温度极限并出现过温情况时,RTP器件将激活,并断开电源线路。

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  图4:在缓慢的热失控情况下,RTP200器件会追踪powerFET温度,当温度达到200℃时,它就会断开电路。

  使用工业标准的贴片和无铅回流焊设备可以快速方便地安装这种表面贴装器件,并且这种器件可以承受峰值温度远超过200℃的多次回流焊工艺。在实际应用中,当检测到温度超过200℃时,它就会切断电流。

  为了在经过标准回流焊安装后还能在现场200℃温度时打开,RTP器件使用一次性电子激活工艺获得热敏特征。在实施激活程序之前,器件可以承受至少3次无铅回流焊而不打开。激活程序可以在系统加电时自动实施,也可以在制造后期的线路系统测试期间实施。

  汽车联网

  在”信息娱乐高速公路”的大方向下,两大清晰的趋势正在快速改变汽车设计的面貌:车载娱乐和无线连接。汽车制造商以及移动设备制造商敏锐地意识到消费者越来越高的要求:以家庭或办公室中使用的同样方法连接汽车内的数字设备。

  今天的汽车已经变成了移动网络,集成各种特性和功能,包括嵌入式控制、移动媒体和无线选项。信息娱乐、远程信息处理、安全和电子控制等应用要求使用多种成熟的网络标准,如LIN、CAN、MOST、IDB-1394、FlexRay、byteflight、用于嵌入式控制的蓝牙等等。

  蓝牙标准已经为能够与汽车及其系统交互的移动电子设备创建了新的市场机会,如蜂窝电话、MP3播放器和导航设备。保护通信接口免受静电放电(ESD)以及由天线和仪器的无线(RF)接口引起的其它电压浪涌损害是一个关键的设计问题。

  图5显示了聚合物增强型齐纳二极管(PolyZen器件)如何保护蓝牙模块的电源输入端口。该器件提供集成式过流和过压电路保护功能,还使用了小电容聚合物ESD(PESD)器件,用于防止天线受到ESD浪涌而损坏。

新一代汽车的电子系统保护方案

  图5:针对蓝牙模块的典型电路保护解决方案。

  发展前景

  汽车设计中越来越多的功率器件和高数据速率连接使得人们更加迫切地需要可靠、具有成本效益的电路保护解决方案。TE Connectivity公司的研究、设计和应用工程师团队正在与汽车制造商、集成商和OEM厂商合作开发所需的元器件,从而推进各种新技术、支持新兴应用,并帮助汽车制造商满足苛刻的安全标准。

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