运用带PolySwitch PPTC器件进行汽车线束保护的优势-电子工程世界

　　简介

　　为了降低二氧化碳排放水平、提高燃料能效，汽车制造企业如今正在朝着车辆减重这一方向积极努力。因此，设计师们也在不断寻求能帮助他们有效减轻线束重量的新技术和设计手段。为了保持市场竞争力，汽车制造商还必须降低保修成本并改善用户满意度。所以，汽车设计师们正面临着寻找一条新出路的挑战—既要减轻车重，又不能牺牲系统可靠性。

　　这种行业趋势引导设计人员重新回顾他们所采用的防止因大故障电流而受损的汽车电力功能保护方法。尽管在过流保护上使用分散式线束技术和PPTC(聚合正温度系数)器件具有明显的重量优势，但许多厂家仍在使用传统的熔断保护技术，导致线束重量难以减轻。

　　这份白皮书介绍了采用分散式架构和泰科电子PolySwitch器件保护汽车线束的巨大优势，并与传统的熔断器保护集中架构进行了比较。本文还介绍了 PolySwitch器件的特性，并提供了将这些器件用于分散式架构的具体应用实例，将促进开发更轻便、更灵活、更可靠的线束保护设计。

　　线束保护趋势

　　虽然早在 990年代就推出了采用PPTC器件的分散式线束保护手段，但OEM采用这种方法的进展十分缓慢。事实上，随着现代车辆应用中电气和电子功能的不断增加，汽车布线系统已经变得比以往任何时候都要更庞大、更沉重、也更复杂。

　　除了改变传统设计方法的阻力之外，使用PPTC器件的好处一直被车辆中历来使用的粗电线所制约。过去，机械强度规定车辆中使用的最细电线为0.35 mm2 (22 AWG)，可以承载8- 0A电流。这一限制抵消了针对小电流信号电路(如<8A)使用PPTC器件的优势。如今，新型导线材料工艺已经能做到让直径较小的导线承载较大的电流，比如0. 3 mm2 (26 AWG)导线最大可承载5 A电流。如果配合PPTC分散式保护架构，这种进步将会带来更多的重量节省。

　　一项针对中、高档乘用车、采用分散式架构和泰科电子PolySwitch器件的研究显示，仅铜线一项就节省重量约50%。此外，由于采用了分散式架构，并用可复位PolySwitch器件替代熔断器，系统可靠性和设计灵活性得到大大改善。

　　汽车线束保护

　　在汽车里，电流通过分布在全车的各种主要和次要电线总成流向不同的电气负载。对于 2 V电池系统来说，电路一般在 4 V系统电压下(多数卡车和公交车中是24 V电池系统，系统电压为28 V)承载0. 0A到30A的电流。线束必须加以保护，防止因灾难性热事件(如短路)而受损。

　　设计人员面临的难题是既要增加电路保护器件、对电器系统中的潜在过载条件进行保护，同时又要降低总成本和重量。由于典型车辆一般含有数百个电路和超过一公里长的电线，复杂的布线系统使传统的电路设计手段陷入困境，并会导致不必要的超安全标准设计。

　　传统方法：集中式架构和熔断器

　　如图1a 所示，汽车布线系统的传统保护方案过去采用的是集中和分布式多负载熔断技术。在这种类型的集中(或称为“星形”)架构中，每种功能都需要一条单独导线。如果单根导线支持多种功能，那么这根导线及其熔断器也必须承载所有这些功能的电流总和。当从电气中心发出的电路越来越多时，在单独一个接线盒中安排所有导线的出入线路并将该接线盒布置在方便司机维修的位置，已经变得几乎不大可能了。因此，系统设计人员曾经诉诸于一些减少了部分最终效用的线束设计方案，如：

　　1. 把负载组合在一个电路中，牺牲了导线规格优化和故障隔离；

　　2. 以提高成本为代价，把电气中心布置在只有经过培训的专业维修人员才能接近的位置；

　　3. 在各种功能系统之间来回布线，增加了布线长度、规格和成本。例如，由于熔断器必须便于维护，传统的车门模块可能要为车窗、门锁、LED和后视镜功能提供单独的电力馈线，每条馈线都要在接线盒内用一个单独的熔断器进行保护。

图1a. 典型集中式架构

图1b. 典型分散式架构

　　车辆的传统集中式布线保护架构依靠数量有限的大规格熔断器来保护各种电路，防止它们因大电流故障条件而受损。虽然熔断器相对来说不贵，但作为单一用途器件，一旦烧毁就必须更换。这一特性意味着熔断器必须安装在便于接触的熔断器盒内—这一要求决定了系统架构并迫使封装和系统布局作出让步。熔断器在相同的外形尺寸下也具有2A到30A的标称额定电流，它们经常被替换成大于设计值的熔断器或者跳出电路的熔断器(当用在离域模块中时)。

　　备选方法：使用PolySwitch器件的分散式架构

　　这是一种优化的线束保护方案，它具有树状层次结构，主电力“干线”分为若干较小的“分支”，而在每个节点提供过流保护。这种架构允许使用规格更小、更节省空间的电线，从而降低了车重和成本。它还有助于改善系统保护并提供故障隔离，因此极大地提高了可靠性。图1b给出了分散式架构的示意图，其中多个接线箱 (用黄色表示)通过电源总线供电。每条从接线箱出来、接到电源、再到不同功能装置的电线都可以用一个可复位的电路保护器件保护。图2是局部分布式架构的一个简化版本，其中每个接线箱要么直接对一个模块供电，要么对另一个为外围负载提供电力的节点模块供电。

图2. 局部分布式汽车线束架构的细节

　　使用PolySwitch过流保护器件可以实现分散式电气系统架构。鉴于汽车级器件的可用性和在继电器上可以期待的可靠性，这些模块可以开关(切换)并保护自身的输出负载并安装在不便维修的位置。

　　由于PolySwitch器件的采用不再需要经过便于用户接近的中央熔断器座进行配电布线，因此可以按照电源与负载之间最直接的路径完成布线。从而缩短了电线长度，减小了电线规格，不仅节省了大量空间、尺寸和成本，也减少了车辆中使用的各种端子、触点、开关和电子驱动电路。此外，分散式架构还可以减少所需的连接器和接线箱数量及尺寸。比如，通过在车门模块中采用PolySwitch器件，可以使用一条电力馈线，节省了电线，降低了成本和接线箱尺寸。

　　表. 传统熔断与分散式线束保护架构的电线重量比较。电线重量计算以铜密度8.96x10-6kg/mm3为依据

　　表1给出了与传统熔断保护技术相比，采用分散式架构和PolySwitch器件所能节省的重量。（注意，如前面所述，本例中使用的最小电线规格为0.35 mm，而有些应用中可以使用规格更小的电线。）

　　使用不需要司机维护的可复位电路保护器件为设计人员提供了大量可单独使用也可组合使用的解决方案。位于仪表面板中的单一接线箱可能仍然要使用。与熔断器不同的是，为便于更换，熔断器必须安装在接线箱上部，而PPTC器件可以嵌入接线箱内或安装在接线箱的其他表面上，从而减少了正面的面积需求，如图3所示。

　　此外，通过把保护器件靠近连接器摆放，可以缩短轨迹长度，接线箱外观尺寸也可以缩小。也可以选择把接线箱分成若干较小的单元，并围绕车身重新选择它们的位置，而不用考虑是否便于用户接近。在这种情况下，PolySwitch器件可以帮助设计人员实现能更加严格地反映优化的树形结构及其伴随效益的电气结构。

　　PolySwitch器件具有各种形状系数，便于实现与接线箱或电器组件之间的各种接口方案。插装式(通孔)器件和表面安装器件使其适合安装在使用印刷电路板的熔断器盒或模块内。Strap器件则可以用于金属电极连接。

　　新一代PolySwitch片式器件还可以象插片式熔断器或双金属断路器那样插入接线盒内。虽然这些器件可以自动复位，不需要用户更换它们，片式器件外形可以让设计人员更换熔断器或双金属器件，而不用等待下一次重新设计接线盒。

图3. 传统接线盒设计(左)与尺寸缩小的接线盒设计(右)之比较

　　提高可靠性

　　除了节省重量和成本之外，电路保护器件的可靠性也是决定如何保护车辆电气系统的关键因素之一。与熔断器相比，PPTC器件具有明显的优势，它们能够耐受汽车环境中的各种过流事件—包扩诸如导线绝缘层磨损和连接器中接线端子松动等情况，而不会造成器件烧毁或降级。

　　PolySwitch器件是用导电填料制造的，如炭黑，可以提供贯穿器件的导电通道。这种器件在正常工作条件下具有电阻较低的特性，而当过多电流流经该器件时，其温度会升高，晶体状聚合物会改变成非晶态。

　　如图4所示，这种瞬态会造成聚合物膨胀，导电聚合物内的导电通路断路。在故障时间过程中，器件电阻一般会增大三个数量级甚至更高。升高的电阻有助于保护电路中的设备，方法是把故障条件下流动的电流降低至较低的稳态水平。故障被排除、电路重新加电前该器件将始终保持在锁闭(高电阻)位置；在这段时间内导电复合材料逐步冷却并结晶，使PolySwitch器件恢复至低电阻状态，并使受到影响的设备恢复至正常工作状态。

图4. PolySwitch通过从低阻状态转变为高阻状态来响应过流或过温条件，帮助保护电路

　　技术比较

　　由于熔断器是单一用途器件，热容量较低，在某些应用中它们必须选择“加大”规格，或者规定升高的额定电流，以便防止“误烧毁 (nuisanceblow)”。与之相反的是，PPTC 器件的热容量和跳闸温度允许更密切地配合设备的损伤电流，因此缩短了较低电流故障事件中的激活时间。在某些配置中，PPTC器件在指定故障电流下激活比熔断器激活更快。

　　“误烧毁(nuisance blow)”常常是因为与机动设备上存在的特定电气元件有关的涌入电流而造成的。例如，间歇工作的电机常常设计为工作有限的一段时间。一般来说，运行这种产品的时间如果超过了设计的最大极限，就会造成堵转、过热最终直至失效。出现故障条件时仍保持通电，原因要么是接触不良，要么就是用户误操作。为防止过热，电路保护器件必须迅速“跳闸”—但不能比指定时间更短—以避免对用户形成误操作。

　　使用PPTC器件的主要优势在于，能够规定该器件的跳闸电流大大低于电机的正常工作电流，但跳闸时间却可以规定为完整系统工作周期的数倍，从而防止误跳闸。

　　当接触到超过系统工作电流的故障条件时，熔断器会达到不需要的温度，却又不足以导致及时激活。与此相反的是，PPTC器件的激活速度相对较快、温度稳定，因此故障电流对其表面温度影响不大。

　　平均故障间隔时间(MTTF)是选择电路保护器件的另一个重要考虑。MTTF与MTBF(平均无故障时间)的计算相同。其区别是MTBF是指可维修的系统，即一次维修到下一次故障之间的时间。而MTTF则用在无法维修的情况下，如某个单一元件。

　　表2按照电信行业的可靠性预测标准Bellcore TR332比较了PolySwitch器件与其他电路保护器件的MTTF。

　　行业标准在设计车辆的电气/ 电子系统中也扮演着重要角色。AEC-Q200——被动元件的应力测试标准，包含了用于汽车环境的PPTC器件测试要求。该试验方案包括一系列电气和环境应力测试，要求在每次受力前后进行电气验证。电气验证试验的设计目的是核查器件在三种温度下(-40℃、25℃和最高温度)是否满足电阻、跳闸时间和维持电流的性能要求。

　　泰科电子的PolySwitch器件具有汽车环境要求的稳健特性，符合严格的测试程序，这些程序定义了应力测试前后的性能极限。用于汽车等级器件鉴定的泰科电子PS400规范涵盖了AEC-Q200标准，并采纳了各种ANSI、ISO、JEDEC、UL和军方标准中规定的有关物理、功能、环境、电气和机械要求。

表2. 电信应用中电路保护器件的MTTF比较

　　应用PolySwitch器件和分散式架构

　　配电分散化为电气及电子系统架构的创新提供了许多机遇。下面列举了若干实例，说明了可复位电路保护所起的作用。

　　缩小了直流电机和执行器的导线、端子、连接器及开关尺寸

　　由于失速电流较高，典型集中式配置中的电机电路一般通过大规格断路器或熔断器加以保护。这种设计必须使用规格更粗的导线，因此接口引脚和连接器的规格也必须较大。其结果就是借口封装面积必须更大，从而带来了空间和重量问题。此外，由于后门车窗、门锁和后舱电动天线的电机距离其控制开关较远，电机馈线可能又长又重。

　　与此相反，分散式架构允许设计人员把PPTC器件安装在控制电机的开关、继电器或电子驱动电路上，实现了电路保护器件的合理分布。PPTC器件还限制了经馈线电路流向受保护电机的电流。这样就可以大大缩小馈线规格。以电动车窗为例，如果采用上游断路器进行保护的话，馈电一般要使用3.0 mm2导线。如果在电机控制开关中采用PPTC器件，馈线规格可以缩小到0.8mm2，由压降决定。

　　导线规格缩小又可以使用尺寸更小的端子、接口连接器和开关。此外，微调(微控)电路也可以在驱动电路中使用成本更低、功率更小的无保护晶体管。最终大大节省了导线总成及其相关硬件的成本。使用小规格导线减小了布线总成线束的尺寸，提高了导线的灵活性。改善了布线总成的外观。也减小了在车辆中安装导线需要的外力，因而降低了安装过程中造成损坏的可能性。以下实例说明了这种好处的实用性。

　　缩短了气囊安全电路中的馈线长度

　　汽车安全气囊是解释对安全电路布线总成提出严格要求的最佳例证。这些装置包括绞接信号线、专用电路接头、连接器接口上的短路棒和冗余馈线。

　　在典型的集中式线束保护方案中，气囊装置中的馈线从点火开关到开关到熔断器座再到仪表面板中央的气囊控制模块。而分散式保护方案则可以合理地把PPTC器件布置在转向柱底座上。这样就可以让馈线直接从点火开关连接到气囊控制模块。这种方式使馈线缩短了一米多。

　　减轻了拖车牵引灯电路的导线重量

　　野蛮使用、维护不一致以及进水导致的短路和过载使拖车牵引电路成为一种高风险应用。为了提高可靠性，拖车牵引灯电路一般独立使用一个熔断器和馈电线路。在这种设计中，所有车灯一般都通过安装在集中熔断器座内的单个熔断器加以保护。

　　然而在分散式架构中，PolySwitch器件可以安装在车灯总成、连接器或搭接块上，有效减少了三个熔断器、一个继电器、三条长导线和相关的连接器。这种方案也简化了制动、方向和危险模块及开关的设计。图5a和图5b比较了传统集中式设计和分散式保护设计，后者在每个对应的交汇节点上使用 PolySwitch器件保护各车灯电路。

图5a. 传统的集中式保护方案图

5b. 使用PolySwitch PPTC器件的分散式保护方案

　　通过使用分散式架构，当发生短路或过载时，由PolySwitch器件对车辆布线进行保护。当拖车与电源断开后，PolySwitch器件会自动复位。与传统电路保护手段不同，在发生瞬时过载时，这种设计不需要司机找出、更换烧毁的熔断器。

　　除此以外，连接各车灯到交汇节点的导线只需承载流向此车灯的电流——而采用共用馈线及其熔断器的设计就必须承载流向所有车灯的电流总和。最重要的一点是，无论哪个拖车牵引灯电路发生过流故障，受影响的只有这个电路，其他车灯将正常工作。

　　缩小了LED中置高位刹车灯电路的导线规格

　　发光二极管(LED)所具有的低功耗和设计灵活性使其在照明电路中的应用日益普及，包括中置高位刹车灯 (CHMSL)。在这种应用中用LED取代白炽灯的好处在于，能使用小规格低电流导线方便地在车顶内衬和靠近铰链处不容易弯曲的连接中轻松地进行布线，如图6所示。采用PolySwitch器件和分散式架构保护LED CHMSL照明应用提高了设计灵活性，减少了导线数量和重量并提高了可靠性。