原创 针对严格要求的汽车电子保护方案

背景

随着新特色的引入和对已有特色的改进和提高，汽车系统年复一年不断趋向成熟。

每一项特色设备必须获取电源，受到保护并连接到整个汽车系统内各自的接口。直

流 - 直流转换器必不可少，以便将 12V 的汽车电池主电源转换为大小不同的电压，

满足这些特色设备的工作需要。直流 - 直流转换器用于向混合动力或电动汽车的大

负荷功能提供电源，也用于各类汽车的照明、显示、资讯娱乐和其他电子设备的电

源供给。获取电源并工作时，汽车电子设备将面临各种瞬态事件，所以必须经受测

试，确保符合包括 ISO 7637 在内的各类标准。在保护到位的情况下，电子设备可以

与使用各种标准接口的系统连接，CANbus 就是这类接口之一。确保这些接口的系

统可靠性很重要，这涉及到电磁兼容性 (EMC) 和共模杂讯 (CMN) 问题。对系统的

保护必须在所有接口都已到位后再次进行检查，以便确保足够的隔离和保护。

最后，必须考虑静电放电 (ESD) 因素，因为电子设备将面临静电放电事件，这些事

件早已在电路装配时开始，并将持续到汽车寿命结束。通过在直流 - 直流转换器设

置电阻器和磁件，针对瞬态保护采用聚合物正温度系数 (PPTC) 装置，将共模轭流

圈和片式压敏电阻器应用于电磁兼容性和各接口，以及采用多层片式压敏变阻器和

钳位装置解决于静电放电问题，即可实现有效且可靠的电路保护。

严格的汽车系统要求

在包括引擎控制器、安全、底盘控制器、故障诊断、资讯娱乐等等在内的众多系统

中，电子设备正在替代机械耦合。每一件电子分总成 (ESA) 经由诸如 CAN （即控

制器局域网）、Flexray （车载网络标准）及以太网等一系列网络接口连接到系统或

者其他电子分总成，因此面临其他电子分总成造成的干扰或别的可靠性问题。鉴于

可能性的大小，表面上看几乎没有什么共性，但撇开其功能，所有电子设备都必须

从唯一的汽车电池取得电源，并且必须在汽车的整个生命期内经受明确的测试、浪

涌和性能要求的考验。在健全的电源转换设计的基础上，电路保护也必不可少，以

便确保电子设备免受外来浪涌、系统内其他电子设备或与人类互动的影响。设计一

个稳定可靠的系统，着手点是了解转换、接口和威胁的有关要求和规定。接下来是

选择满足要求的、符合或者高于汽车系统中每一部件性能和保护标准的元件。

保持电源电压水平稳定

直流-直流转换器在电子领域用于电压水平之间的转换以及提供稳定且精确的电源。

在一辆靠 12V 电池运转的车内，标称电压为14 V。一些资讯娱乐电路需要将电压降

低至5 V或3.3 V。相反，发光二极管(LED)灯串需要将电压提升到60 V，用于混合

动力或全电力汽车等的永磁直流电机则具有几百伏特的更大负载。出于这些转换的

需要，供电电路通常将设有一个金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)、电感

器 (L)、电阻器 (R) 和电容器 (C)。一个开关可以代表该金属氧化物半导体场效应晶

体管，如图 1 所示。在这个电路中，与金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)

电容相结合的线路寄生电感会干扰电路的正常工作。必须选择或插入若干元件，以

便将该干扰的风险最小化，并且维持转换器和系统的稳定运转，无论转换器的设计

是提升或是降低向负载供给的电压。

瞬态事件保护

汽车电子设备的瞬态事件保护备受关注。人们充分认识对汽车电子设备造成威胁的各类

瞬态浪涌，并且根据事件的类型通过ISO 7637标准作出划分。这些事件可能持续数秒，

还产生数百安培的电流。表 1 详列了 ISO 7637 测试规定，表中 Ri 指电压发生器的内部

电阻。每一件电子分总成 (ESA) 必须以通过 ISO 7637 测试的标准进行设计。设计者需

要通过增设元件限制浪涌或电压钳位的方式满足必需的保护等级。

系统接口带来额外挑战

以独立的单元提供足够的保护是向汽车系统引入电子分总成 (ESA)的起点。一旦通过接

口连接到系统，电子分总成有可能促使网络电压升高。例如，连接到控制器局域网总线

(CANbus) 的大部分电子分总成将含有一个共模感应器，用于限制通讯总线上多余的高

频杂讯，改善收发设备对电磁兼容性 (EMC) 的免疫力，并且减少电磁干扰。在这些好

处的基础上，共模感应器还能在控制器局域网总线 (CANbus) 收发设备的两端诱发高电

压，正如在 ISO 7637 测试 1 中断开供电时所见。该电压因此应受到来自诸如汽车变阻

器等抑制器的钳位作用，使电子分总成得到保护，免受过压条件可能导致的损坏。

所选用的感应器的核心、导线和构造类型以及电流的大小将影响电子分总成的电磁放

射，而放射的水平必须符合汽车制造商指定的原则。有时候，这些原则可能比国际上的

EN55022 Class B 规定更为严格，后者规定的排放水平是 0 - 230 MHz 频率范围对应 30 

dB (mV/m)，230 MHz - 1 GHz 对应 37 dB (mV/m)。

针对静电放电事件的保护

最后，汽车电子设备必须受到保护，免受静电放电 (ESD)的破坏。在出于资讯娱乐需要