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汽車電子系統(tǒng)的電路保護(hù)策略方案解析

電子設(shè)計(jì) ? 來源:中電網(wǎng) ? 作者:中電網(wǎng) ? 2021-01-25 15:44 ? 次閱讀
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關(guān)鍵任務(wù)子系統(tǒng)必須健壯可靠,以確保駕駛員和乘客安全。

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除非車輛的電子電路具有高度的可靠性和抗電沖擊能力,否則自動(dòng)駕駛汽車(AV)所提供的安全性和便利性無法實(shí)現(xiàn)。通過提供過流保護(hù),瞬態(tài)浪涌保護(hù),靜電放電(ESD)保護(hù)和反極性保護(hù),設(shè)計(jì)人員可以大大降低電路故障的風(fēng)險(xiǎn)。電路保護(hù)策略應(yīng)從三個(gè)關(guān)鍵任務(wù)子系統(tǒng)開始:攝像頭,雷達(dá)和ADAS。

保護(hù)相機(jī)子系統(tǒng)

在音視頻設(shè)備中,多個(gè)攝像機(jī)可提供基本的前向和后向視覺,并協(xié)同工作以提供深度感知,通過CCD / CMOS圖像傳感器將可見光轉(zhuǎn)換為電信號(hào),以發(fā)送給通信控制電路。攝像機(jī)子系統(tǒng)中的電路塊如圖2所示。需要保護(hù)組件的關(guān)鍵是與外部電路連接的部分。

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攝像機(jī)電源子系統(tǒng)需要保護(hù)免受三種潛在影響:過電流,高瞬變和ESD。保險(xiǎn)絲提供過電流保護(hù)。設(shè)計(jì)人員可以選擇傳統(tǒng)的一次性熔斷陶瓷熔斷器,也可以選擇基于聚合物的正溫度系數(shù)(PPTC)可復(fù)位熔斷器。兩種組件均可滿足汽車要求的寬溫度額定值。

如果發(fā)生過電流情況,PPTC的優(yōu)點(diǎn)是無需更換。該專用保險(xiǎn)絲因?yàn)檫^電流產(chǎn)生的熱量而實(shí)質(zhì)上增加了電阻。消除過電流后,PPTC恢復(fù)到低電阻并重置電路。兩種組件都有表面貼裝封裝,以節(jié)省寶貴的PCB空間。

除了過電流之外,電源電路還需要保護(hù),以防止由車內(nèi)電源(例如,電動(dòng)機(jī)通電和斷電)引起的電壓瞬變。該電路必須能夠承受ISO 7637和16750標(biāo)準(zhǔn)定義的瞬變。兼容的組件包括瞬態(tài)電壓抑制器(TVS二極管,它們可以安全地吸收脈沖1、2、3中指定的低能量瞬變和高能量瞬變。

收發(fā)器解決方案

為了避免災(zāi)難性的故障(如果意外地使電源電壓極性反轉(zhuǎn)),設(shè)計(jì)人員可以在保險(xiǎn)絲中串聯(lián)一個(gè)肖特基二極管。在提供反極性保護(hù)的同時(shí),二極管的低正向壓降對(duì)電源性能的影響最小。

CAN協(xié)議收發(fā)器需要針對(duì)ESD,快速電氣瞬變和其他過電壓瞬變的保護(hù)。二極管陣列具有30 kV空氣和30 kV接觸放電能力,具有很高的ESD魯棒性。這些設(shè)備用于幫助設(shè)計(jì)人員滿足道路車輛ESD的ISO 10605標(biāo)準(zhǔn)。此外,憑借約15 pF的電容和1 μA以下的泄漏電流,二極管陣列不會(huì)干擾協(xié)議傳輸。這些器件可在-40°C至+ 150°C的溫度范圍內(nèi)工作,以適應(yīng)汽車環(huán)境。

推薦的用于保護(hù)CAN收發(fā)器的電路如圖3所示。一個(gè)兩通道二極管陣列既保護(hù)高線又保護(hù)低線。單個(gè)保護(hù)組件有助于降低生產(chǎn)成本。像CAN收發(fā)器一樣,以太網(wǎng)收發(fā)器也需要ESD保護(hù)。二極管陣列和聚合物ESD抑制器可以為高速差分?jǐn)?shù)據(jù)線提供必要的保護(hù)。這些二極管陣列可提供高達(dá)±30 kV的ESD保護(hù),并可以在單個(gè)封裝中保護(hù)差分線對(duì),以節(jié)省空間。還可以提供0402版本作為分立組件,以實(shí)現(xiàn)PCB板布局的靈活性。

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在電容必須絕對(duì)最低的系統(tǒng)中,可以考慮使用0.04pF的聚合物ESD抑制器(AXGD1系列)。電容低不會(huì)阻礙1 Gbit以太網(wǎng)的傳輸速率。與OPEN Alliance以太網(wǎng)組織的建議一致的配置和組件示例如圖4所示。

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最重要的電路是圖像傳感器——一種雙極性,低電容保護(hù)組件。該二極管可承受高達(dá)±30 kV的ESD沖擊,泄漏電流極低(典型值低于10 nA),電容約為0.35 pF。為了節(jié)省空間,該ESD二極管采用1.0mm x 0.5mm超小尺寸SOD882封裝。

保護(hù)相機(jī)子系統(tǒng)的四個(gè)與外部電路和外部環(huán)境連接的電路塊,將確保一個(gè)強(qiáng)大,可靠的可見光檢測系統(tǒng)。盡可能在電路輸入附近使用推薦的組件以避免多余的能量損壞關(guān)鍵電路。

保護(hù)雷達(dá)子系統(tǒng)

雷達(dá)子系統(tǒng)為重要的前方和后方行人檢測以及避免碰撞功能提供信號(hào)輸入。如圖5框圖所示,雷達(dá)子系統(tǒng)電路具有兩個(gè)DC電源。低噪聲電源為模擬雷達(dá)發(fā)射機(jī)和雷達(dá)接收機(jī)電路模塊供電。常規(guī)電源為邏輯和通信電路供電。像攝像機(jī)子系統(tǒng)電源一樣,雷達(dá)子系統(tǒng)電源也需要過流保護(hù),瞬態(tài)浪涌保護(hù),反極性和ESD保護(hù)。

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多種產(chǎn)品可以保護(hù)電源免受過電流和反極性的影響。同樣,設(shè)計(jì)人員可以選擇傳統(tǒng)的表面貼裝保險(xiǎn)絲或PPTC自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。兩個(gè)電源的輸入線串聯(lián)的低正向電壓肖特基二極管將為電源和所有雷達(dá)子系統(tǒng)電路塊提供反極性保護(hù)。設(shè)計(jì)人員應(yīng)在每個(gè)電源的輸入處為單個(gè)電源提供浪涌保護(hù)。

TVS二極管是推薦的電涌保護(hù)組件。設(shè)計(jì)人員根據(jù)瞬態(tài)功率額定值(低功率瞬態(tài)為400W / 600W,高功率瞬態(tài)為1,500W至7,000W)選擇TVS二極管來保護(hù)電源。波形發(fā)生器和模擬前端分別是雷達(dá)發(fā)射機(jī)和雷達(dá)接收機(jī)的一部分。它們與發(fā)射器和接收器模塊分開(圖5中),因?yàn)樵诎l(fā)射器輸出和接收器輸入模塊上添加保護(hù)組件會(huì)改變其發(fā)射和接收阻抗。保護(hù)元件可以保護(hù)盡可能多的電路。

與相機(jī)子系統(tǒng)中推薦用于圖像傳感器的ESD二極管類似的雙極組件,將提供必要的ESD保護(hù)。與攝像頭子系統(tǒng)一樣,雷達(dá)子系統(tǒng)將其信息傳輸?shù)杰囕v的中央處理子系統(tǒng)。雙極二極管陣列為CAN I/O線的高側(cè)和低側(cè)均提供ESD保護(hù)。以太網(wǎng)收發(fā)器可以使用二極管陣列或聚合物ESD抑制器來最大程度地減少信號(hào)失真,并且不會(huì)影響以太網(wǎng)傳輸速率。

保護(hù)ADAS通訊和控制

信號(hào)處理、通信和控制子系統(tǒng)(圖6)用來操作車輛。它必須是健壯,可靠和確保功能安全的。該電路必須識(shí)別出正在行駛的其他車輛,遇到危險(xiǎn)時(shí)則需要快速停車,并且需要對(duì)故障傳感器做出安全響應(yīng)。故障安全固件至關(guān)重要,但能夠承受瞬態(tài)能量沖擊的硬件也至關(guān)重要。向控制器提供信息的所有電路模塊都需要防靜電保護(hù)。

電源需要過流保護(hù)、電涌保護(hù)和反極性保護(hù)。此電源的保險(xiǎn)絲可以位于模塊內(nèi),也可以位于車輛低壓接線盒的更上游。通過其浪涌功率額定值選擇的TVS二極管可提供必要的浪涌瞬變保護(hù)。與電源輸入線串聯(lián)的肖特基二極管可提供反向電壓極性保護(hù)。

每個(gè)通信鏈路都需要針對(duì)每個(gè)端口的獨(dú)特性能和配置而設(shè)計(jì)ESD保護(hù)。下表列出了ADAS通信和控制子系統(tǒng)中使用的通信協(xié)議及其不同的數(shù)據(jù)速率。設(shè)計(jì)人員可以從各種具有獨(dú)特特性的二極管陣列和聚合物ESD抑制器中進(jìn)行選擇,以保護(hù)每個(gè)通信鏈路,不會(huì)影響其數(shù)據(jù)速率或其高至低電壓差。

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直接連接至DSP電路模塊的任何信號(hào)線均應(yīng)具有ESD保護(hù)。設(shè)計(jì)人員可以使用二極管陣列或聚合物ESD抑制器,為高信號(hào)線和低信號(hào)線提供雙極性保護(hù)。設(shè)計(jì)人員擁有廣泛的組件,可以用來保護(hù)電路免受上述潛在壓力的影響。選擇符合AEC-Q合格組件既可以加快對(duì)標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證機(jī)構(gòu)的遵守,同時(shí)又使設(shè)計(jì)人員相信這些組件將提供必要的保護(hù)級(jí)別。
編輯:hfy

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