6.CAN 總線-ESD 和瞬變保護(hù)。OBC 通過 CAN 總線與BMS 等其他系統(tǒng)進(jìn)行通信。在密集封裝的環(huán)境下,CAN 線路經(jīng)常會受到 ESD(例如在裝配和維護(hù)過程中)的過電壓應(yīng)力和由其他汽車系統(tǒng)通過感應(yīng)耦合或傳導(dǎo)耦合引起的瞬變的影響。
ISO 10605 和靜電放電(ESD)保護(hù)
該國際標(biāo)準(zhǔn)是針對道路車輛的,它規(guī)定了評估電子模塊的各種 ESD 測試方法。這些模塊包括信息娛樂和互連解決方案、GPS 接收器到電池和充電系統(tǒng)的控制模塊等等。以上每一個(gè)例子中的共同點(diǎn)是都需要連接,因?yàn)樗鼈儗⑴c系統(tǒng)處理器通信并受其控制。通常情況下,控制總線是 CAN 或 LIN 總線,而市場已經(jīng)開始探索速度更快的總線,包括以太網(wǎng)和對汽車更為專用的 BroadR Reach。在可靠性方面,這些數(shù)據(jù)總線雖然提供了通信路徑,同時(shí)也成為 ESD 等電氣瞬變的侵入途徑。
在消費(fèi)電子和工業(yè)市場中,最常引用的 ESD 標(biāo)準(zhǔn)是 IEC 61000-4-2。它為行業(yè)提供了應(yīng)該使用的ESD瞬變波形的指導(dǎo)準(zhǔn)則,以及測試方法。關(guān)鍵是要在已完成的產(chǎn)品和系統(tǒng)(成品)上進(jìn)行測試。這意味著智能手機(jī)、平板電腦或筆記本電腦應(yīng)是完全組裝好的,并且可以在所有電源輸入和數(shù)據(jù)端口插上相應(yīng)的電纜。然后在系統(tǒng)的機(jī)箱、連接器和電纜上完成 ESD 測試。在汽車市場中,這類似于使用 ESD “槍”將完全組裝的車輛的各個(gè)表面周圍全部掃一遍。
但是,情況不止于此。為了確保最高的可靠性,ISO 10605 規(guī)定,每個(gè)系統(tǒng)必須在車輛中安裝之前以單獨(dú)和完整的形式進(jìn)行測試。簡而言之,確保整個(gè)車輛的 ESD 保護(hù)可靠性的最佳方法是首先確保每個(gè)構(gòu)件(電氣/電子子系統(tǒng))能夠承受反復(fù)的 ESD 瞬變。這樣做是為了確保模塊能夠應(yīng)對由裝配過程、維修技術(shù)人員或車輛乘員引起的電氣干擾。
在完全組裝的車輛中,在駕駛員、乘員、組裝人員和維修技術(shù)人員將與車輛接觸到的部位也要進(jìn)行測試。通過增加這些模塊級測試要求,ISO 10605 將 IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)提升到一個(gè)新的水平。此外,它要求制造商以比 IEC 標(biāo)準(zhǔn)更高的電壓和電流水平來測試電子模塊,以反映汽車的更嚴(yán)苛和惡劣的電氣環(huán)境。這意味著車輛中每一層電子設(shè)備都需要最堅(jiān)固的電路保護(hù),以抵御汽車常見的惡劣的 ESD 瞬變。
AEC-Q101 – 元件級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
對可靠性和質(zhì)量的需求在車輛和模塊級上不會止步。這種需求也延伸至元件級。為了符合應(yīng)用的要求,AEC-Q101 規(guī)定了在這些應(yīng)用中使用的分立半導(dǎo)體解決方案的質(zhì)量要求。專門針對電路 ESD 保護(hù)的分立和陣列解決方案也必須符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的要求。
該標(biāo)準(zhǔn)描述了一系列確保汽車環(huán)境中基于半導(dǎo)體的元件的長期可靠性的合格性測試。對于采用 TVS 二極管或 TVS 二極管陣列等 ESD 保護(hù)器件的汽車制造商,這些器件需符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的要求。
ISO 10605 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)注的是電氣危害,而 AEC-Q101 是一份環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。對于被認(rèn)為符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)的元件,它們必須能夠承受以熱沖擊和溫度循環(huán)、高濕度和極端溫度為特征的惡劣的汽車環(huán)境。因此,該標(biāo)準(zhǔn)確保了在汽車中安裝之后,元件不會因?yàn)槿魏伪举|(zhì)缺陷而發(fā)生故障。
AEC-Q200 – 元件級質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)
正如半導(dǎo)體器件需要滿足汽車應(yīng)用中最低的質(zhì)量要求,無源器件也需要達(dá)到類似的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求。在這種情況下,ESD 解決方案有多層壓敏電阻和基于聚合物的 ESD 器件。這些技術(shù)的應(yīng)用包括針對低速電路(如CAN 和 LIN)的 MLV,和針對高速電路(如以太網(wǎng)和 BroadR Reach)的高分子聚合物 ESD 器件。
傳動(dòng)系電路需要保護(hù)
汽車中的每個(gè)電路都容易受到浪涌和瞬變的損害。無論元件或電路的所在位置在哪,都會受到惡劣條件和溫度的影響。以下列出了一些需要保護(hù)的最常見的汽車電路:
·傳統(tǒng)通信總線 - 控制局域網(wǎng)(CAN)和本地互連網(wǎng)(LIN):它們是最流行的的通信總線標(biāo)準(zhǔn),覆蓋汽車中 50% 至 75% 的電路。它們已有多年的應(yīng)用歷史,因其可靠性而廣受歡迎。
oCAN 總線允許微控制器和器件在車內(nèi)進(jìn)行通信,無需使用主機(jī)。它是專為汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)的基于消息的協(xié)議。CAN 系統(tǒng)能夠處理從動(dòng)力轉(zhuǎn)向到發(fā)動(dòng)機(jī)微控制器和變速器之間等一切通信。
oLIN 總線是一種經(jīng)濟(jì)有效的串行網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,用于車內(nèi)組件之間的通信。它通常用于處理簡單的電機(jī)功能,如電動(dòng)座椅和切換巡航控制等。
o由于在汽車中幾乎無處不在,這些總線在模塊安裝期間以及車輛的運(yùn)行和維護(hù)期間都將會受到 ESD 的影響。它們很容易暴露于可能導(dǎo)致 CAN 或 LIN 收發(fā)器故障的瞬變。
下圖所示的是 CAN 和 LIN 總線的典型 ESD 保護(hù)方案。由于 CAN 總線是雙通道電路,最常見的解決方案是采用一個(gè)雙通道二極管陣列。LIN 總線為單通道,因此它的 ESD 解決方案采用的是分立 ESD 二極管或多層壓敏電阻。
高速數(shù)字總線 - 以太網(wǎng),BroadR Reach 端口:以太網(wǎng)歷來被用于在路由器、交換機(jī)和訪問硬件之間提供連接的遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)。它是一種久經(jīng)驗(yàn)證的非??煽康慕鉀Q方案。近年來,一直有提高 CAN 和 LIN 等現(xiàn)有總線的速度的需求。以太網(wǎng)最初是用于 1Mbps 版本;這顯著提升了 CAN 總線的性能,目前大約達(dá)到了 100Mbps。同樣,汽車專用的 BroadR Reach 旨在提供 100Mbps 的處理能力,且可能會因其更為簡單的雙線配置而被選擇使用。而以太網(wǎng)需要使用四線。
·更多的控制器模塊的增加以及對簡化車輛中的通信網(wǎng)絡(luò)(也可以減少電纜的數(shù)量,從而降低總重量)的希望推動(dòng)了對更大帶寬的需求。無論選擇哪種通信方案,雙通道和四通道低電容 ESD 陣列都可以用來提供所需的保護(hù)。
作為電氣瞬變來源的交流發(fā)電機(jī)
現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)需要大量的電能。許多電子應(yīng)用(信息娛樂、導(dǎo)航、ADAS、電源控制等)都與電池連接,并最終連接至交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)需要將角動(dòng)量轉(zhuǎn)換為電能,但它也是電氣瞬變的來源 - 其中最不利的是負(fù)載突降。當(dāng)交流發(fā)電機(jī)正在發(fā)電且其他電氣和電子負(fù)載保持連接至電池電路的同時(shí),正在充電的電池被斷開時(shí),就會發(fā)生這種情況。如果不加以處理,電尖峰脈沖和瞬變將在整個(gè)電源電路中傳播,從而導(dǎo)致有源電子元件和傳感器中的電應(yīng)力過大。這種過應(yīng)力會導(dǎo)致汽車電子系統(tǒng)中的元器件部分或永久性損壞。因此,諸如負(fù)載突降等瞬變會威脅到車輛的安全性和可靠性。
ISO 7637-2 和 ISO 16750-2:電源電路上的電壓瞬變:
在歷史上,ISO 7673 被用作在汽車的電源電路上發(fā)現(xiàn)的電壓瞬變的參考文獻(xiàn)。它們的定義非常明確:是由電動(dòng)負(fù)載的各種切換(電機(jī)和電感負(fù)載)和意外斷開所造成的。這三種脈沖有相似性:
·脈沖 1:表示電感負(fù)載(例如電機(jī))與電源意外斷開連接,存儲的電荷被轉(zhuǎn)儲到電源電路的情況。
·脈沖 2a 和 2b:表示“受害”電路并聯(lián)的負(fù)載電流突然斷開,以及直流電機(jī)在點(diǎn)火關(guān)閉后所產(chǎn)生的電壓瞬變。
·脈沖 3a 和 3b:表示由開關(guān)元器件產(chǎn)生的電壓瞬變或“脈沖群” - 類似于工業(yè)應(yīng)用中的電快速瞬變。
·脈沖 5a:是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間存在差異的地方。這種脈沖代表的是車輛中(例如混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 )有 交流發(fā)電機(jī)且在電池充電時(shí)電池引線斷開的情況。這會導(dǎo)致大量的能量被釋放(傾注)到電源電路中。脈沖的持續(xù)時(shí)間在 40ms 到 400ms 之間,電壓和交流發(fā)電機(jī)電阻值由最終用戶確定。
o兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)之間最重要的區(qū)別在于電氣系統(tǒng)將承受的這些負(fù)載突降脈沖的次數(shù)。對于 ISO 7673-2,只需要對系統(tǒng)脈沖一次。對于 ISO 16750-2,要求更為嚴(yán)格,需要 10 次脈沖(每次脈沖間隔 1 分鐘)。這會影響到保護(hù)方案,因?yàn)檗D(zhuǎn)而采用 ISO 16750-2 將會增加保護(hù)元件上電應(yīng)力的次數(shù)。
適當(dāng)?shù)那袚Q事件和負(fù)載突降保護(hù)的注意事項(xiàng)
電路保護(hù)器件,包括瞬態(tài)電壓抑制(TVS)二極管和壓敏電阻,是保護(hù)敏感電子設(shè)備免受上面描述的電壓和電流瞬變的影響的最有效方法。選擇 TVS 二極管是因?yàn)樗鼈兪蔷哂锌焖夙憫?yīng)時(shí)間(低鉗位電壓)和低泄漏電流的硅雪崩器件,還因?yàn)樗鼈儧]有損耗因數(shù)。壓敏電阻通常被用作瞬變浪涌保護(hù)的一線解決方案。具體的例子包括保護(hù)車內(nèi)電子設(shè)備的超小型表面貼裝多層壓敏電阻(MLV)以及保護(hù)更接近于交流發(fā)電機(jī)本身的電源電路的金屬氧化物壓敏電阻(MOV)。
二極管應(yīng)符合 AEC-Q101 標(biāo)準(zhǔn)要求;壓敏電阻應(yīng)符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)要求
正如上文所討論的 ESD 保護(hù)解決方案,汽車電子協(xié)會(AEC)元器件技術(shù)委員會制定了嚴(yán)格的指導(dǎo)準(zhǔn)則,制造商在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和測試在汽車中使用的元器件時(shí)必須遵守。在汽車工業(yè)中使用的保護(hù)器件必須承受瞬變、機(jī)械和熱環(huán)境,還要鉗位至夠低的電壓以保護(hù)集成電路。在為汽車應(yīng)用選擇合適的 TVS 二極管時(shí),設(shè)計(jì)工程師應(yīng)該尋找能夠提供適合汽車應(yīng)用的峰值脈沖功率耗散額定值的產(chǎn)品。典型的額定值范圍為:從 200W 到 3000W(10/1000μs)(僅經(jīng)歷最小的瞬態(tài)能量(脈沖 1、2 和 3)的電路), 2200W(必須經(jīng)受未鉗位負(fù)載突降(脈沖 5a)和其他瞬態(tài)電壓事件的電路)。
針對交流發(fā)電機(jī)瞬變的保護(hù),替代的電路保護(hù)解決方案會用到 MOV。為了保護(hù)敏感的電子設(shè)備免受因負(fù)載突降事件引起的電壓瞬變的影響,所選擇的 MOV 需要提供高達(dá) 5KA(8/20μs 脈沖)的高峰值浪涌電流額定值,以及可靠性的能量吸收能力。工程師應(yīng)只選擇和信賴符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) AEC-Q200(表 10)、ISO 7637-2 以及 ISO 16750-2 要求的 MOV 器件。