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汽车电路浪涌防护方案
柳州市交通学校 文艳宇
【摘 要】电浪涌现象指的是电路中一种短暂的过电压、过电流现象.电浪涌对汽车电路中的电器元件会造成不同程度的损害,导致严重后果,必须加以防护.本文主要论述了电浪涌的产生原因及危害,阐述抑制汽车电路中浪涌电压和浪涌电流的方法.
【关键词】汽车电路 浪涌 原因及危害 防护 方案
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2016）01B-0098-03
电路中的浪涌是一种形象的说法,它是指电路中出现的瞬间过电,是电路中一种短暂的电流、电压波动,持续时间通常为百万分之一秒,其先快速上升后再缓慢下降,会对电路产生很大影响.浪涌会立即或者缓慢地损坏电器设备,对电路中的精密电器的杀伤力更大,严重的会造成线路短路,导致火灾,因此,各种电路中都设有浪涌保护措施.本文主要讨论汽车电路浪涌防护的问题.
一、汽车电路中浪涌产生原因和危害
汽车电路中浪涌主要有两个来源：一是来自电路外部,另一个是来自电路内部.它的产生主要有以下几个原因.
(一)雷电感应过电压
当汽车所在区域出现了强雷电天气时,尽管雷电直接击中汽车的可能性不大,但是雷电产生的强感应电压可能会沿着电源线和信号线等导入汽车电路,形成强烈的雷电浪涌,冲击汽车电路中的电器设备,导致电器元件立即损坏.雷电产生的浪涌也可以使控制设备产生误动作,造成交通事故.
(二)操作过电压
汽车存在很多感性负载,如电机、继电器等,而且这些元器件经常处于开通和关断交替的工作状态.感性负载的接通和关断必然会在电路中产生较大的操作过电压,其感应电压的数值,往往达到电源电压的数倍,造成电器元件的损坏.
（三）其他原因产生的浪涌
生活环境中存在的大功率发射信号,如电视台信号,雷达站发射的雷达信号,高压输变电设备产生的高压电磁辐射,甚至宇宙射线和太阳黑子辐射等,都可能在汽车电路中产生浪涌电压.
(四)静电
人体和汽车任何绝缘部分都可能产生静电,静电电压有时候会达到几千伏.当带静电的人体或者是汽车的绝缘部件,接触到电子设备时,超高的静电电压会瞬间造成汽车电路的损坏.
浪涌对汽车电路的冲击,会出现电路数据丢失,电路损毁,性能衰退,电池短命,车载视频闪抖,音响设备声音噪杂等问题.它造成的危害有灾难性危害和累积性危害两种.灾难性危害主要由于雷电过电压和静电造成.累积性危害是指小浪涌多次冲击半导体器件,对元器件的损坏虽然在短期内不明显,但多次累积后,会使半导体器件功能衰退,设备发生故障,寿命缩短.这些小浪涌的危害虽不及雷电,但是他们频繁产生,会缓慢损坏设备元件,这在汽车电路中经常发生.
二、汽车电路中浪涌的防护措施
浪涌分为浪涌电压和浪涌电流.它们对电路的损害原理不同,因此要采取不同的防护措施加以防护.
(一)浪涌电压的防护措施
浪涌电压对电路的危害主要是由于产生的过电压超过了电器元件的额定电压,从而导致电器元件损害,PN节被击穿,控制电路控制失灵,误操作等.通常用压敏电阻（VDR）和瞬变电压抑制二极管（TVS）这些限压器件,来对电路中的浪涌电压进行抑制.
压敏电阻（VDR）最大的特点是,当它两端的电压低于其“阀值”电压时,压敏电阻的阻抗相当于开路状态,只有很小的漏电流通过；当电路电压超过它的“阀值”电压时,流过它的电流可以迅速增大,相当于通路.利用压敏电阻的特性,可以将电路电压钳制在“阀值”以内,防止后部电路受到过电压的损坏.压敏电阻的响应时间为NS级,结电容在几百到几千PF的数量级范围,其瞬间功率很大,但平均功率很小,不能长时间导通.
瞬变电压抑制二极管（TVS）,是一种高效能的二极管保护器.其外形和电路符号都与普通二极管无异.当尖峰电压或者是浪涌电压冲击TVS管时,TVS管的阻抗能够以高达1×10－12秒的速率降低,允许一个大电流通过,其两端间的电压保持在一个预定的数值上,从而确保后面的电路元件免受瞬态高能量的冲击而被损坏.TVS相比于压敏电阻,其响应速度更快,结电容可以做到更低,钳位性、抗静电性更好,稍贵,但通流能力稍逊于压敏电阻,适用于电路IC级的防护.
(二)浪涌电流的防护措施
当汽车电子器件出现故障或者发生误操作,或者出现短路现象,很容易产生浪涌电流.浪涌电流会使导线和接点产生高温,烧毁绝缘,产生短路,甚至引起火灾.
电路中对浪涌电流的限制,有两种基本的方法：在电源电路中简单布置防护设备作为浪涌电流限制器,成为被动浪涌电流保护电路.在电路中布置浪涌防护限制器,当浪涌峰值消失后,浪涌防护设备被旁路成为主动浪涌电流保护电路.采用哪种限流方式主要取决于电源功率,设备承受浪涌电流冲击的频率,工作温度范围和系统成本等因素.
对于小功率电源,最简单的浪涌电流限制方案是与负载串联一个普通的电阻器.但对于额定功率较大的电源,固定电阻会产生较大的功率损耗从而降低电路的整体效率.采用负温度系数的热敏电阻（NTC）,进行被动限流保护.NTC的特性是阻值随着温度的升高而降低.当浪涌来时,温度较低,NTC呈现较高阻值,可以有效限制电路中的电流峰值,一旦受热,其阻值降低到可以忽略不计的水平,有效降低电路的功率损耗.这一方案由于电路简单,成本较低,利于实现.在对电源功率要求不高的情况下,被广泛采用.
当电源功率大于500W时,被动保护电路的功率损耗就非常明显.因此较高功率水平的电路采用主动ICL保护电路,一旦浪涌峰值电流消退,ICL保护电路被旁路,尽可能地减少功率的损耗.NTC热敏电阻对温度过于依赖,在设计方案中要考虑诸多问题：比如当浪涌电流冲击时,INC热敏电阻温度较高,呈现低阻状态,则对浪涌电流的防护失效；当外界气温较低时,NTC呈现低阻状态,其功率损耗则较大等.有正温度系数的热敏电阻PTC（或者PPTC）可以提供更有效的限流方案.
PTC或者PPTC热敏电阻,在环境温度下,作为一个普通电阻使用,其阻值依其型号不同,可以在20－500Ω之间选择.这一阻值可以有效地抑制浪涌电流的峰值.峰值一过,充电电路可以把PTC旁路.如果充电线路发生故障,在电路中出现持续很大的电流,PTC电阻值随着温度的升高而显著增大,对电路起到更有效的保护作用.
三、汽车电路浪涌防护方案举例
汽车运行工况复杂,在汽车电路中电磁继电器、电感性负荷很多,经常处于交替关断的状态,各种原因形成的浪涌,对汽车电路及各种车载电子元器件都会造成不同程度的损坏,解决汽车电路中浪涌问题,主要有以下解决方案.
(一)汽车12V／24V电源浪涌防护方案
本方案主要应用于汽车电源系统.汽车在起动瞬间和出现异常工作情况时会有很大的浪涌产生,对汽车电子产品造成损坏.对于汽车电源浪涌的防护,主要采用下面的防护方案.
本方案利用了TVS和PPTS,对汽车电源的后端电路进行了浪涌电压和浪涌电流的双重保护.如图1所示,在汽车电源电路中,当浪涌电压冲击时,瞬间电压抑制二极管（TVS）电阻迅速降低,可以吸收一个大电流,将电压钳制在额定值范围内,对电路形成第一时间的保护.TVS管动作速度快,但是通流能力有限,不能长时间工作,此时,正温度系数的热敏电阻（PPTC）随着电路温度的升高电阻迅速增大,抑制了电流的上升,起到第二保护作用.两种保护措施同时使用,克服了TVS管通流能力不强,和PPTS管动作时间慢的缺点,对电路的保护更加完善.此方案可以过IOS－7637－2标准的五类测试条件.
(二)汽车USB防护方案
车载电子设备不断增多.汽车USB接口应用越来越普遍,我们可以通过USB接口进行手机充电、车载MP3或插U盘听歌等.USB需要支持热插拔；传输速率高达480Mbps,不容忍丢包；USB芯片集成度高,很脆弱,易受静电损坏.下面以USB2.0为例来解析汽车USB浪涌防护方案.
在此方案如图2所示,采用了一个瞬态抑制二极管（TVS）.瞬态抑制二极管（TVS）的主要参数为：
TVS【ESD05V14T－LC】Vrwm：5.0V；Vb：6.0V；防静电能力（接触／空气）：8KV／15KV；结电容（f＝1MHz）：1.2pF；封装为STO－143.
方案中,采用适用于USB2.0接口的ESD05V14T－LC 限压型静电保护器件.USB的电源线,数据线用这颗TVS对地做防护,钳位静电电压.该器件采用节省空间的0402和0603表面安装形式的封装,工作电压为5V,12V,24V三个等级,其电容值可以低到0.02PF,一般的都在2－3.5PF之间,按照IEC 61000－4－2,ESD空气放电15KV、接触放电8KV.优点是体积小、效果好、反应时间快、便宜.
(三)车载网络系统电路保护方案
车载网络系统将扮演着越来越重要的角色.新型客车、卡车、公共汽车甚至摩托车都已装有移动的网络,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,其中LIN、CAN、FlexRay就是重要的三种标准.
1.LIN拓扑的电路保护措施
LIN是一种结构简单、配置灵活、成本低廉的新型低速串行总线,在车身电气控制等方面主要使用LIN总线.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&plun;2kV.然而,ECU连接器上可能会出现达到&plun;8kV的电平.为了防止LIN总线电路免受浪涌破坏.采取以下方案进行保护.
图3为协同的电路保护图,设置在电源输入端的PPTC器件,保护ECU和LIN节点连接器免受过电流损伤.并联在电路中的MLV（多层电压敏电阻器）,可以限制电压尖峰,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.
2.CAN 拓扑的电路保护措施
CAN总线在汽车上的应用提高了汽车的动力性、操作性、安全性和燃油经济性.CAN总线通过CAN收发器与与物理总线项链.CAN总线收发器可允许总线供电电压高达&plun;80V直流电.而电路中产生的浪涌电压,其峰值远远大于80V,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）.为此,采取以下方案对其进行保护.
图4所示,在电源输入端串联PPTC设备,并且用MOV（金属氧化电压敏电阻器）与后端电路进行并联.从而避免因车载供电系统中心的浪涌电流和电压异常而发生损伤.
3.FlexRay拓扑的电路保护措施
FlexRay是继CAN和LIN之后的最新研发成果,可以有效管理多重安全和舒适功能.譬如,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.因此,必须在电路中进行过电流保护.保护电路图如图5所示,主要利用一个PPTC设备进行过电流保护.
人们对汽车操控安全性和乘坐舒适的要求越高,汽车上电气设备就会越复杂.电气设备越精密,集成度越高,抵抗浪涌的能力反而越弱.因此,对汽车电路上的浪涌电压（或电流）的进行防护尤为重要.本文对汽车电路中浪涌产生的几大原理进行了分析,详细阐述了汽车电源浪涌防护,USB接口浪涌防护和车载网络系统电路浪涌防护等方案.这些方案,在众多车型电路浪涌防护中被采用,防护效果得到实验验证,是非常有效的解决浪涌问题的办法.
【参考文献】
［1］张春艳,李金广.浅谈电涌保护器的选用［J］.大众科技,2006（7）
［2］包联初,庞君,周云福.第四届中国国际防雷论坛论文摘编［J］.汽车电子设备防护,2005（9）
［3］温厚林.基于电力自动化系统防雷措施分析［J］.硅谷,2010（18）
【作者简介】文艳宇（1979— ）,女,出生于广西桂林,现就职于柳州市交通学校,讲师.研究方向：汽车电子技术及新能源汽车发展方向.
（责编 卢建龙）
汽车电路论文范文结:
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