个人车载电子系统端口和电源保护设计

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  在车载电子系统中,信息娱乐(Infotainment)系统是发展最为迅速的部分,它主要可分为三大类:音频(CD)、视频(DVD)以及导航和远程信息服务。最新的进展已经可以将USB、MP3、蓝牙、iPod和杜比带入车内。图1为新的车载导航娱乐和信息服务系统的结构图。

  新的车载导航娱乐和信息服务系统集成了GPS、影音娱乐、蓝牙通讯等多种功能,配有HDD、LCD模块、智能读卡器、CD/DVD驱动等多种电子模块。这些电子模块和各种接口使PND面临诸多潜在危险,包括过电流、过电压以及会损坏敏感电子设备的ESD、EMI,它们都有可能损坏电子线路。因此,系统线路中的大多数模块和接口都必须要进行电路保护的设计。

  主要异常:过压、ESD 和过流

  车载环境中存在多种瞬间过压,这些瞬间过压有可能对电路造成永久的损坏。随着汽车电子的发展,车身中包含了各种各样的电子模块和单元。因此,在设计这些电路的过程当中,必须要保证所有的线路能够不被车载环境中的瞬间过压损坏。

  车载环境中电源电路中的瞬间过压包括:负载突降(Load Dump)、跳变开始(Jump Start)以及各种各样的电压噪声。如图2所示。其中抛负载过压是车载环境中最严重的瞬间过压,在12V车载系统中,其瞬间过压可达125V。

  ESD产生的瞬间高压能破坏敏感的CMOS器件及器件内部的连接,它在引发IC失效的事件中排名第一,所占比例超过60%。静电来源于物体间的相对运动和电荷积累,积聚的电荷通过一定的路径释放从而形成放电(ESD)。ESD进入设备电路侵害器件的方式有两种:耦合或直接进入。在后一种方式中,ESD通过设备与外界相连的通道有:天线、按键、电源或各种与外界相通的物理接口。对于便携式电子设备来说,ESD防护及器件选择一直是系统设计中的难题。而对于汽车的恶劣使用环境,ESD防护等级要求远远高于在普通家用/商用电子设备中的相应要求。

  造成过流的原因主要有电压升高和负载异常。在防护电压升高造成的过流时,需要过压器件和过流器件的协同保护。负载异常包括负载短路和负载异常增大;由此产生的过流有时伴随着过热故障,在设计异常保护时应一并考虑。
下面就个人导航/娱乐系统常见端口的保护加以简要介绍。

  设备电源的保护

  PolySwitch自恢复器件有助于保护PND的电池和电源电路。与传统的一次性保险丝相比,PolySwitch自恢复器件既可以通过限制过高电流来防止有害的过电流、浪涌,又可以防止过温故障所引起的损坏。此外,PolySwitch器件在故障被清除且电路电源被切断后可自动恢复,从而降低了维护、服务和维修的成本。

  由于PolySwitch器件快速而有效地将过电流限制到安全水平,且体型小巧,可直接贴装到电路板,因此,可使用该器件对PND内的每条电源电路进行一对一的保护。图3为使用了PolySwitch电路保护器件的便携式电子设备中的电池充电电路典型结构图。PolySwitch和钳位二极管共同保护设备不受过电压、极性反转等故障的损害,保护汽车电源及电路不因便携式电子设备内部故障而损坏。

  USB/IEEE1394 CCP端口的保护

  随着USB/IEEE1394通信速率的增加,电路日趋小型化和敏感化,对电路瞬态的保护就显得更为重要。每当连接和断开PND,电路都会受到瞬态过电压/过电流的冲击,故需要在电源和地上分别抑制瞬间过压。由于钳位而不会引起供电中断,且价格较低,MLV常被采用。为满足USB和IEEE1394接口规范要求,PolySwitch器件通常用于防止USB电源线上因过电流造成的设备损坏,是即插即用型应用设备的理想选择。

  对USB/IEEE1394端口具有损害性的瞬态过电压还包括来自于操作环境和外围设备的ESD脉冲。瑞侃电路保护部开发的PESD器件电容极低,特别适用于数据传输速率很高的电路。PESD静电保护器件具有低触发电压和低钳位电压,有助于保护敏感电子设备。图4、图5为瑞侃电路保护部推荐的电路保护典型设计图。

  Smart Card Reader端口保护

  接触式Smart Card内部有一个IC芯片,用于传输信息、存储数据等。Smart Card工作时,由读卡器的Vcc电压供电。损坏的Smart Card或者其他导电物品被错误地放进读卡器,都有可能造成读卡器电路出现短路,而造成永久损坏。在读卡器电路中使用PolySwitch可恢复器件能够对此类电路故障进行保护。如图6,在读卡器的Vcc供电电路中串联PolySwitch器件,当出现短路过电流故障时,PolySwitch器件能够切断电路,在故障排除后恢复电路,并在所有端口进行ESD防护。 

  Hard Disk Drive保护

  Hard Disk Drive (HDD)在使用过程中,可能因为供电线路的接线错误、电路中的电源纹波电压、热插拔导致的过电压脉冲或者电源正负极反接而造成过电流和过电压错误,这些电路故障有可能永久地损坏HDD。

  HDD的供电线路一般有5V和12V,有一些HDD还有3V。如果在供电线路的接线中出现错误,例如将12V的供电线接到5V的接口,或者电路的正负极反接,则会造成过电流,从而会损坏HDD电路中的某些元器件。在HDD的供电线路中串联PolySwitch器件,当电路中出现过电流故障时,PolySwitch能够迅速切断电路,并在故障排除后自动恢复,提供针对此类过电流故障的保护,从而降低HDD被损坏的可能性。一般HDD供电电路中允许的电压误差为5%,这意味着5V电路中的电压不能超过5.25V,12V电路中的电压不能超过12.6V。在实际使用过程中,HDD电路中可能由于感性电路的存在而产生过电压脉冲;或者由于热插拔、内部系统关断以及其他的内部电源波动造成的快速电流变化而引起过电压脉冲。此类过电压脉冲可能达到8V(5V电路中)和16V(12V电路中),并且会损坏HDD电路。

  除了HDD,同样的情况也可能发生在CD-ROM,CD-R, CD-RW和 DVD等驱动上。这些驱动同样需要类似的保护。图7为使用瑞侃电路保护部门开发的PolyZen器件对HDD电路进行保护的典型设计。PolyZen器件能够限制接线错误造成的过电流故障,同时还能够保护HDD电路不被过电压脉冲(包括ESD)损坏。

  总结

  电路保护往往不仅仅是选一、两个合适的器件那么简单。在设计中,首先要对可能出现的异常情况逐一分析,选择合适的保护方案。合适是指在满足保护要求的条件下,均衡成本、风险、工艺、品质以及空间诸因素所得到的优化方案。必要时,采用两个或多个器件以分级保护方式达到目的。其次,调节各元件的保护偶合点,计算、验证其边界参数,保证保护方案可以覆盖所要求保护的全部异常。有时需要在布线、在线电阻(起限流、耦合作用)上做一些调整。

  对于车用电子设备厂商来说,好的保护方案既能提高产品的可靠性,又能降低总体成本。合理的硬件保护,能够保证设备不受异常侵害,从而提升产品品质,降低保修、维护成本。 

 



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