【導讀】在車載電子系統中，信息娛樂(Infotainment)系統是發(fā)展最為迅速的部分，它主要可分為三大類：音頻(CD)、視頻(DVD)以及導航和遠程信息服務。最新的進展已經可以將USB、MP3、藍牙、iPod和杜比帶入車內。圖1為新的車載導航娛樂和信息服務系統的結構圖。
新的車載導航娛樂和信息服務系統集成了GPS、影音娛樂、藍牙通訊等多種功能，配有HDD、LCD模塊、智能讀卡器、CD/DVD驅動等多種電子模塊。這些電子模塊和各種接口使PND面臨諸多潛在危險，包括過電流、過電壓以及會損壞敏感電子設備的ESD、EMI，它們都有可能損壞電子線路。因此，系統線路中的大多數模塊和接口都必須要進行電路保護的設計。
主要異常：過壓、ESD 和過流
車載環(huán)境中存在多種瞬間過壓，這些瞬間過壓有可能對電路造成永久的損壞。隨著汽車電子的發(fā)展，車身中包含了各種各樣的電子模塊和單元。因此，在設計這些電路的過程當中，必須要保證所有的線路能夠不被車載環(huán)境中的瞬間過壓損壞。
車載環(huán)境中電源電路中的瞬間過壓包括：負載突降(Load Dump)、跳變開始(Jump Start)以及各種各樣的電壓噪聲。如圖2所示。其中拋負載過壓是車載環(huán)境中最嚴重的瞬間過壓，在12V車載系統中，其瞬間過壓可達125V。
ESD產生的瞬間高壓能破壞敏感的CMOS器件及器件內部的連接，它在引發(fā)IC失效的事件中排名第一，所占比例超過60%。靜電來源于物體間的相對運動和電荷積累，積聚的電荷通過一定的路徑釋放從而形成放電(ESD)。ESD進入設備電路侵害器件的方式有兩種：耦合或直接進入。在后一種方式中，ESD通過設備與外界相連的通道有：天線、按鍵、電源或各種與外界相通的物理接口。對于便攜式電子設備來說，ESD防護及器件選擇一直是系統設計中的難題。而對于汽車的惡劣使用環(huán)境，ESD防護等級要求遠遠高于在普通家用/商用電子設備中的相應要求。
造成過流的原因主要有電壓升高和負載異常。在防護電壓升高造成的過流時，需要過壓器件和過流器件的協同保護。負載異常包括負載短路和負載異常增大；由此產生的過流有時伴隨著過熱故障，在設計異常保護時應一并考慮。
下面就個人導航/娛樂系統常見端口的保護加以簡要介紹。
設備電源的保護
PolySwitch自恢復器件有助于保護PND的電池和電源電路。與傳統的一次性保險絲相比，PolySwitch自恢復器件既可以通過限制過高電流來防止有害的過電流、浪涌，又可以防止過溫故障所引起的損壞。此外，PolySwitch器件在故障被清除且電路電源被切斷后可自動恢復，從而降低了維護、服務和維修的成本。
由于PolySwitch器件快速而有效地將過電流限制到安全水平，且體型小巧，可直接貼裝到電路板，因此，可使用該器件對PND內的每條電源電路進行一對一的保護。圖3為使用了PolySwitch電路保護器件的便攜式電子設備中的電池充電電路典型結構圖。PolySwitch和鉗位二極管共同保護設備不受過電壓、極性反轉等故障的損害，保護汽車電源及電路不因便攜式電子設備內部故障而損壞。
USB/IEEE1394 CCP端口的保護
隨著USB/IEEE1394通信速率的增加，電路日趨小型化和敏感化，對電路瞬態(tài)的保護就顯得更為重要。每當連接和斷開PND，電路都會受到瞬態(tài)過電壓/過電流的沖擊，故需要在電源和地上分別抑制瞬間過壓。由于鉗位而不會引起供電中斷，且價格較低，MLV常被采用。為滿足USB和IEEE1394接口規(guī)范要求，PolySwitch器件通常用于防止USB電源線上因過電流造成的設備損壞，是即插即用型應用設備的理想選擇。
對USB/IEEE1394端口具有損害性的瞬態(tài)過電壓還包括來自于操作環(huán)境和外圍設備的ESD脈沖。瑞侃電路保護部開發(fā)的PESD器件電容極低，特別適用于數據傳輸速率很高的電路。PESD靜電保護器件具有低觸發(fā)電壓和低鉗位電壓，有助于保護敏感電子設備。圖4、圖5為瑞侃電路保護部推薦的電路保護典型設計圖。
Smart Card Reader端口保護
接觸式Smart Card內部有一個IC芯片，用于傳輸信息、存儲數據等。Smart Card工作時，由讀卡器的Vcc電壓供電。損壞的Smart Card或者其他導電物品被錯誤地放進讀卡器，都有可能造成讀卡器電路出現短路，而造成永久損壞。在讀卡器電路中使用PolySwitch可恢復器件能夠對此類電路故障進行保護。如圖6，在讀卡器的Vcc供電電路中串聯PolySwitch器件，當出現短路過電流故障時，PolySwitch器件能夠切斷電路，在故障排除后恢復電路，并在所有端口進行ESD防護。
Hard Disk Drive保護
Hard Disk Drive (HDD)在使用過程中，可能因為供電線路的接線錯誤、電路中的電源紋波電壓、熱插拔導致的過電壓脈沖或者電源正負極反接而造成過電流和過電壓錯誤，這些電路故障有可能永久地損壞HDD。
HDD的供電線路一般有5V和12V，有一些HDD還有3V。如果在供電線路的接線中出現錯誤，例如將12V的供電線接到5V的接口，或者電路的正負極反接，則會造成過電流，從而會損壞HDD電路中的某些元器件。在HDD的供電線路中串聯PolySwitch器件，當電路中出現過電流故障時，PolySwitch能夠迅速切斷電路，并在故障排除后自動恢復，提供針對此類過電流故障的保護，從而降低HDD被損壞的可能性。一般HDD供電電路中允許的電壓誤差為5%，這意味著5V電路中的電壓不能超過5.25V，12V電路中的電壓不能超過12.6V。在實際使用過程中，HDD電路中可能由于感性電路的存在而產生過電壓脈沖；或者由于熱插拔、內部系統關斷以及其他的內部電源波動造成的快速電流變化而引起過電壓脈沖。此類過電壓脈沖可能達到8V(5V電路中)和16V(12V電路中)，并且會損壞HDD電路。
除了HDD，同樣的情況也可能發(fā)生在CD-ROM，CD-R， CD-RW和 DVD等驅動上。這些驅動同樣需要類似的保護。圖7為使用瑞侃電路保護部門開發(fā)的PolyZen器件對HDD電路進行保護的典型設計。PolyZen器件能夠限制接線錯誤造成的過電流故障，同時還能夠保護HDD電路不被過電壓脈沖(包括ESD)損壞。
總結
電路保護往往不僅僅是選一、兩個合適的器件那么簡單。在設計中，首先要對可能出現的異常情況逐一分析，選擇合適的保護方案。合適是指在滿足保護要求的條件下，均衡成本、風險、工藝、品質以及空間諸因素所得到的優(yōu)化方案。必要時，采用兩個或多個器件以分級保護方式達到目的。其次，調節(jié)各元件的保護偶合點，計算、驗證其邊界參數，保證保護方案可以覆蓋所要求保護的全部異常。有時需要在布線、在線電阻(起限流、耦合作用)上做一些調整。
對于車用電子設備廠商來說，好的保護方案既能提高產品的可靠性，又能降低總體成本。合理的硬件保護，能夠保證設備不受異常侵害，從而提升產品品質，降低保修、維護成本。
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