车载信息中心电路保护措施的介绍与分析

新型客车、卡车、公共汽车甚至摩托车都已成为移动的网络，将众多特征和功能连接在一起，如内置控制、移动媒体和无线网络。信息娱乐系统、远程信息处理、安全控制等的应用均需使用几种现有的网络标准，如LIN、CAN、MOST、IDB-1394、FlexRay、Byteflight 、内置控制蓝牙和其他标准。

网络应用可通过线束进行物理连接。绝大多数内置控制器、内置或接插式多媒体以及无线网络功能通过车载电池直接供电或通过点火开关通电。不断增多的敏感车载电子设备容易受到电气系统本身、人为干扰或甩负荷变化的影响。

图1中显示了最常见的电源轨瞬态，从严重的低电平—高能量到高电平—低能量的瞬态变化。特别关注的是，这些电源系统上的瞬态变化应满足ISO7637-2和ISO10605标准。

　

　

甩负荷和跨接起动产生了最具能量的瞬态。当汽车启动时会产生6V的瞬态突变，导致电源电压降至6V。当交流发电机产生充电电流时，充电电池与交流发电机断开，从而产生出甩负荷。
+100/-150V的峰电位是由于电燃汽油混合物时的点火程序所产生的。峰电位的频率决定于汽缸的数量和发到发动机的转速。

超出电池电压的过电压突然变更会导致24V的跨接起动瞬态。电池颠倒瞬态是由无意的颠倒电池而产生的。





图2显示数据线路上产生的瞬态主要是ESD浪涌。尽管此类浪涌为低能量，但是会产生强大的电磁场。

表1列出了几种网络应用以及常用于防止电路损伤的泰科电子的设备。



数据线路可以包括媒体传输线、数据总线和传感器数据线路，应特别注意是否符合AEC-Q和ISO 10605标准。ISO10605 ±25kV的ESD浪涌测试可应用于整个系统，并可模仿人体接触周围电子模块所产生的ESD影响。AEC-Q标准注重设备强度，包括人体模型测试、机械模型测试和充电设备模型测试（AEC-Q200针对无源元件而AEC-Q101适合分立的半导体）。

避免网络和联接元件受上述各种过电流、过电压或过热情况的影响而产生损伤，对于汽车制造商和元件供应商都提出了复杂的设计要求。

LIN拓扑：电路保护措施

12V直流电情况下单线运行的总线速度达到20kbps，LIN（本地互联网）提供低成本的车载网络并补充了现有的车载服用网络。LIN的典型应用包括开关、驱动器（如抬窗锁门模块）、调整舒适度的身体控制电子元件（如门、方向盘、座位和视镜模块）、以及电动机和传感器（如恒温空调、照明、雨刷感应器、智能雨刷、智能交流发电机和开关面板）。

LIN总线拓扑利用一台独立主机或ECU（电子控制单元）以及多个节点，如图3所示。连接应用模块至车载网络使其可进行诊断和提供服务。

　



除非在LIN标准中明确说明以外，所有电压可参照当地ECU接地且正电流流入ECU。如果存在一个集成电阻/二极管网络，总线路和ECU内部供电（VSUP）之间不可形成寄生电流通路。这会对电路中的ESD浪涌遏制设备产生影响。

LIN总线标准要求当LIN总线路因正电压小于26.5V或接地而出现短路时，网络应恢复正常工作。物理层上的ESD浪涌电阻根据IEC61000-4-2要求必须符合最低放电电压电平±2kV。然而，ECU连接器上可能会出现达到±8kV的电平。

需要通过过电流保护对出现故障或过载现象时进行过电流限制。同时也需要通过电路保护设备限制电压尖峰或处于稳定的过电压状况。

图4为协同的电路保护图，显示出一个设置在功率输入的可复位PolySwitch器件如何在电源输入端保护ECU和LIN节点连接器免受过电流情况的损伤，以及一个MLV（多层电压敏电阻器）如何为车载网络应用提供所需的高电流处理和能量吸收的过电压保护。




CAN拓扑：电路保护措施

CAN (控制域) 标准具有中速的特点 (高速CAN达到1Mbps)。单通道、双线且容错，此协议是最普遍使用的车载总线设计，但是也应用到许多其他产业中。

CAN总线收发器可允许总线供电电压高达+/-80V直流电。然而，甩负荷浪涌会产生出比ISO-7637-2标准（最大86.5V）中规定的更高瞬态，可能会损伤收发器。收发器的操作电流也因供货商的不同而有所差异。

图5显示了如何在电源输入端应用可复位PolySwitch设备和MOV（金属氧化电压敏电阻器）从而避免因车载供电系统中心的浪涌电流和电压异常而产生的损伤。


CAN接收器I/O上的两个MLV可提供较低电容分路防护，避免共模电压阶跃而产生的电磁辐射(EME)的影响。

泰科车载级PolySwitch设备达到AEC-Q200和SAE2685的严格要求，且具有大范围的电气特征和结构因子从而提供最有效的保护方案。

PolySwitch设备如同传统保险丝一样在出现故障时阻断危险的高电流。但是与传统保险丝不同的是它可以在故障排除，电路重启后自动恢复。它的另外一个优点是具有相对灵活的结构因子，使其可以直接安装到电路板上和设置在电子模块、接线箱和配电中心内部。

泰科电子的MOV设备可以与设备或被保护元件平行安装。如果出现过电压情况，MOV设备迅速从高阻状态转入低阻状态，从而将元件上的瞬态电压降至安全的工作电平。正常工作情况下，过电压设备为高阻设备，不应对常规系统操作产生影响。该设备的低漏电功能也可改善电池的放电率。

MOST拓扑：电路保护措施

MOST (媒体导向系统传输)可为塑料光纤同步和异步数据传输的视频和音频功能和支持速度高达40+Mbps。MOST收发器适用于需要进行实时处理的高宽带设备，如DVD播放器、耳机、GPS设备和声音控制。

实际上，MOST是一个节点网络，用于传输车载多媒体和信息娱乐系统中出现的各种不同信号和数据流。

MOST标准支持多种物理接口，如图6所示。MOST标准中，这些应用可参考功能块。每个功能块包括几种功能（如一个CD播放器可以包括播放、停止、弹出和播放时间等功能）。[page]

MLV通常用于ESD保护的供电总线，连同可复位过电流保护的PolySwitch设备。低电容PESD设备或PESD阵列可安装在ESD保护的数据线路上。





IDB-1394拓扑：电路保护措施

IDB-1394车载结构可分为内置网络和客户便利端口，简称CCP，如图7所示。该标准显示了一种类似于现有MOST标准的一种内置塑料光纤（POF）车载网络。然后，该网络更加稳固且更易使用。多种电子元件可以连接到此网络，如DVD播放器、视屏显示器、导航系统、无线电主机以及通讯设备。

　

　

CCP端口包括一个车载等级1394b的物理层和连接器，允许用户将便携式设备连接到车辆，通过IDB-1394接口获取音频和视频服务。CCP端口采用标准连接器，专为该设备供电而设计。
其供电特点无需额外电池或单独电源线，让客户无需为插入的设备是否已经通电而担忧。

IDB-1394为高速多媒体应用而设计，总线速度高达800Mbps且要求通电端口具有可复位过电流保护。如图8所示，PolySwitch设备可用于在出现故障时限制危险高电流。MLV可安装到供电总线上避免ESD浪涌和过电压瞬态所产生的损害。低电容PESD设备或PESD阵列也可安装在数据线路上帮助提供ESD保护。



FlexRay拓扑：电路保护措施


FlexRay协议专为线控应用所设计，如线控刹车和线控方向盘。该线控网络方式支持同步和异步数据传输，数据传输率约为10Mb/s，具有时间触发和事件触发行为、冗位和容错的特点。

该结构支持一“束”2个节点至64个节点，其功能主要依靠于两种类型的处理器—ECU和“活动星”。FlexRay通讯通过一个常用总线或一个星形连接在ECU之间进行。FlexRay元件的总线输入必须避免在总线路和系统供电电压或地电位之间出现短路现象。

图9显示了ECU的调整后过电流/过电压保护方案。该方案利用一
个PolySwitch设备进行过电流保护，





byteflight拓扑：电路保护措施

byteflight协议是一个车载数据总线，为提供车载元件之间进行非常安全且容错的电子通讯手段而开发。byteflight在总线、星形或集群配置中通过2线或3线塑料光纤（POF）达到10Mbps以上的速度。该系统结构中使用POF使其功能能够在数据方面达到电气上的独立。然而，节点仍然从车载供电总线处获得电流，而且会受到电磁干扰的影响。

构成该网络的元件，如微处理器、byteflight控制器和光收发器，容易因供电尖峰和反向电压而受到损伤。集成电路(ICs)或许包括ESD保护，但是通常限制在2kV以下。

如图10所示，PolySwitch设备和MLV可以保护这些模块不受高能量过电压和过电流瞬态的影响而产生损伤。




蓝牙拓扑：电路保护措施

蓝牙标准虽然最初并非为车载环境而设计，但已经为车辆和其系统之间进行沟通的移动电子设备创造了新的市场前景，如手机、MP3播放器和导航设备。

保护暴露在外的通讯界面不受因天线和仪器无线(RF)界面所产生的ESD和其他电压浪涌的影响是一个相当重要的设计问题。图2显示了一个PolyZen集成过电流/过电压设备如何帮助保护蓝牙模块的功率输入。MOV或表面安装的MLV也可用于避免车载麦克风和扩音器界面上出现电压瞬态。PESD设备可以用于避免电线出现ESD浪涌。