汽車安全設計從細微處著眼
- 吳冠儀
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不論在引擎蓋內還是在駕駛艙中，當今的高階晶片組對惡劣車輛環境中常見的各種電氣危險，極其敏感。為了保護汽車電子設備免受損壞，設計工程師需要對交流發電機內，主要的電氣突波來源(如負載突降)格外重視。
安全是汽車設計的關鍵。汽車是一筆不菲的投入，所以車主有必要呵護自己的愛車。最重要的是，汽車安全性命攸關。所以目前各汽車廠家運用了各種安全功能，包括氣囊、穩定控制和胎壓監測。但是安全設計遠比這些外在保護系統重要。安全是車內任何電子設備的核心設計思考–大小皆如此。
目前各客用車充斥著越來越多的電子設備。而我們仍然處於汽車設計中一個巨大轉變的起步階段：隨著資訊娛樂和互聯汽車的出現，未來5年嵌入車內的微處理器數量將增加一倍。這勢必增加對惡劣環境中脆弱電子設備加以適當保護的解決方案的需求。各種車輛電子設備，從儀錶板內顯示幕到最新互聯技術，都會受到各種危險情況的影響，如開關負載或瞬態電壓衝擊、靜電放電和其他產生極高電壓的情況。
交流發電機是電氣突波的主要來源
現代的汽車設計中，所有車載電子設備都與電池和交流發電機相連。交流發電機是各種電氣突波的主要來源，其中最嚴重的就是負載突降。發生負載突降的情形是，交流發電機和電池的連結鬆脫而電池尚未充電，造成發動機產生的電流仍在交流發電機電路上，如果不加以防護干預的話，發動機上產生的電流將形成電脈衝和突波，沿著電線傳遞，導致電子設備和感測器故障，或者永久損壞車輛電子系統。當然，負載突降失控將威脅車輛的安全和可靠性。
怎樣設計正確的負載突變保護
電路保護器件，包括突波電壓抑制(TVS)二極體和壓敏電阻，都是敏感電子設備防範負載突波的有效手段。TVS二極體是半導體器件，選擇TVS二極體不僅因為它們反應時間快(鉗位電壓低)和漏電電流小，而且沒有固定的損耗係數。壓敏電阻一般作為突波浪湧保護的初級方案使用。例如多層壓敏可變電阻(MLV)器件保護小型電子器件，而中型金屬氧化物壓敏電阻(MOV)則用於保護小型電氣設備，電源供應器及相關零件。
最現代化的交流發電機中，通過在干擾源上添加限位TVS二極體抑制或鎖住負載突波幅度。干擾突波通過抑制器件(TVS二極體)在內部或在干擾源的端子上抑制。最佳的電路設計是設計工程師應將TVS二極體放在儘量靠近干擾源的地方。圖一表示受到負載突波保護的電路和其中TVS二極體的位置。
汽車電子設備理事會(AEC)元件技術委員會和其他安規組織已經制訂了廠家在設計、生產和測試車輛和元件時要遵守的嚴格指導方針。汽車行業使用的保護器件必須對突波環境足夠穩健，還能鉗制到足以保護IC的最低水準。
針對汽車應用選擇正確的TVS二極體時，設計工程師要選用符合AEC-Q101認證的產品，證明它們適合高可靠性應用並具有適合汽車應用的峰值脈衝功率等級。敏感電子系統防範因負載突波和其他浪湧事件而產生的突波電壓應考慮採用峰值脈衝功率等級較高(如5,000W (10/1000µs)或2,200W (10µs x 150ms))的TVS二極體。選擇AEC-Q101認證產品可保證它們適應汽車應用中所存在的高溫。
防範交流發電機突波電流及電壓的替代電路保護方案包括使用金屬氧化物壓敏電阻(MOV)。敏感電子設備防範負載突波引起的電壓變動，應選擇峰值浪湧電流等級高達5KA (8/20μs脈衝)以及能量吸收能力可靠的MOV產品，設計工程師應選擇符合行業標準AEC-Q200 (表10)和ISO 7637-2的MOV，確保它們適應惡劣的汽車環境。
不論這些應用在汽車的車艙內還是在引擎蓋內，壓敏電阻為低直流電壓汽車應用提供了高浪湧電流電路保護方案，例如，MOV可以在Y形或三角形配置中與交流發電機的繞組線圈連接，達到抑制突波的效果(圖二)。
還可以用MOV保護車輛子系統(如氣囊、傳動系統和氣候控制)的交流發電機突波。也可以作為瞬態波動的分流器使用，以便防止電源線浪湧。
開關繼電器和線圈是突波電壓的其他來源。典型繼電器操作在繼電器觸電開關期間會產生電弧，而線圈會在磁場快速變動時釋放明顯的突波能量。這些狀況都會對IC和其他敏感電子器件造成損壞。不論是繼電器觸電電弧產生的還是繼電器磁場產生的狀況，MOV和TVS二極體能吸收這種突波能量。
隨著汽車內充斥的電子設備越來越多，設計工程師必須找到確保這些設備在危險情況下也能長久使用的正確方案。由於所有車載電子設備都與電池盒交流發電機相連，因此，所有電子設備的保護從這裡開始。TVS二極體和壓敏電阻可以在不同場景中用來幫助保護嵌入車內的昂貴電子設備。當涉及到測試時，國際標準設定了較高的安全門檻。所以，正確選擇保護器件必須達到甚至超過汽車行業制訂的相關規範。(本文由Littelfuse半導體事業部業務&技術開發經理Jim Colby提供，DIGITIMES吳冠儀整理。)
