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ON 汽车瞬态保护,确保车载电子电路的长远可靠工作寿命

 2015-04-22

越来越多的电子电路正被集成到市场上推出的一波接一波的新的汽车车型中。这表示驾驶人员及乘客能够从更大量的特性和功能受益。在这样日趋拥挤及及复杂的电气环境中,模拟与数字电路布设的位置极接近,管理电压瞬态变得比以往更加关键了。如果要实现旨在用于动力系统、舒适、安全及信息娱乐系统的车载系统的可靠工作,那么,需要运用创新的技术及策略,以确保在正变得越来越严格的应用环境中针对瞬态事件维持最高程度的保护。

 

过去二十年来,汽车中的半导体成分几乎以指数速度增加。各个汽车设计内部不计其数的极敏感的集成电路(IC)(如微控制器(MCU)、专用集成电路(ASIC)及现场可编程门阵列(FAPGA))需要予以保护,防止瞬态事件可能造成的损伤。如今,一辆典型的汽车中包括50多个瞬态电压抑制器(TVS)元件,而高当豪华车型中的数量还会高得多(通常多达2倍)。

 

保护免受瞬态事件影响的首要目标是要确保车载电子电路的长远可靠工作寿命。这表示要降低需要进行维修的频率。它还可帮助制造商降低因某个车型之系统故障造成整车召回的风险,而这样的系统故障可能对品牌造成极大负面影响,不仅是财务上如此,而且在名声上也是如此。汽车系统潜在上可能暴露在各种不同现象中,其中就包括大电压尖峰、负载开关瞬态,或者(某些情况下)可能甚至是负载突降放电状况(虽然修改交流发电机设计,特别是在西方国家的汽车中,如今正在帮助降低这方面的顾虑。)

 

现代汽车设计中TVS元件的作用在两个领域中至关重要。第一就是座舱电子,如信息娱乐系统及舒适系统。涉及到小信号。第二就是处理源自电机、螺线管等频繁开关的源的较大瞬态。

 

ISO7637-2标准定义了专门跟汽车领域相关的瞬态脉冲。它涉及所有采用12 V(用于乘用车)或24 V(用于卡车及商用车)电气系统供电的汽车,规定了实现标准遵从所需采用的测试方法及流程。值得一提的是,某些汽车制造商在这标准以及考虑的脉冲类型方面有其略微不同的变异版本。

 

不仅是汽车系统正变得更加复杂,让事情变得严重复杂化的是向下一代半导体技术的持续变迁——采用更小工艺节点的IC更易于受到瞬态效应的影响,因而需要更有效的保护。此外,汽车制造商在寻求实现减轻汽车重量以省油。这表示汽车行业在整体上需要更小封装尺寸及更低厚度的元器件。因此,元器件供应商必须因应生产保护功能更强但外形因数也更小的TVS元件的挑战。

 

当前,用于汽车应用的TVS元件通常倾向于采用SMA及SMB形式的封装。但基于已经提到的原因, 存在稳步增长的实现尺寸减小的势头。通常情况下,如果要使保护元件完全发挥作用,尽管尺寸减小,仍必须维持能够承受600 W的额定功率。此外,汽车制造商还要求降低钳位电压,以减小瞬态事件的存在导致的应力等级。供应商如今正寻求转向SMA-Flat及SOD-123FL形式的封装。

 

SOD-123FL因应汽车制造商的需求,显著缩小封装的占位面积,占用更小的印制电路板(PCB)面积。但散热性能有点折衷(因为耗散瞬态能量的面积减小了),裸片尺寸大幅减小(随着ASIC几何尺寸转向28 nm或22 nm,更加需要将峰值电压抑制到更低的电平,因为硅片更易受影响)。要求重新设计系统以降低功率等级,这表示需要分配更多的工程资源。相关的开发成本会上升,上市时间会延后。这使工艺变迁的理据变得不那么清楚了。相比而言,SMAT-Flat是一种更有吸引力的选择。这封装相比SMA及SMB元件拥有关键优势,不仅减小总体尺寸,还能够耗散跟SMB元件相当的功率(能比SMA元件耗散更多功率)。由于它的裸片尺寸能跟当前使用的TVS封装形式相当,它因此就省去了代价不菲的重设计工作。散热性能得到了维持,但也获得实现最大封装占位面积减小的好处。

 

必须要注意的是,当审视设计的总功率要求时,越来越多的情况下,不仅需要考虑电压范围,还要考虑电流消耗对总能耗的影响。一种弄清您寻求指定使用的TVS元件的峰值功率耗散能力的方法,就是通过预定义脉冲。能够将10x1000µs非重复脉冲用于这个目的——这通常表示上升时间为10 µs、到达峰值电流一半值的时间为1000 µs的波形(见图1)。器件的数据表上通常易于找到这样的波形。如今市场上正在推出采用SMA-Flat封装的元件,它们提供跟这数百瓦脉冲相当的功率耗散等级。

 

图1. 10/1000 µs脉冲波形

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展望未来,纯电动汽车(EV)及混合动力汽车(HEV)领域的预期增长将为电压瞬态保护带来新的挑战。这不仅体现在这些汽车本身,而且体现在配合EV及HEV的基础设施方面,因为这些基础设施开始大规模地推出。如果汽车行业最终确实发展到使用48 V电源,预计更多的障碍还会涌现。虽然48 V电源应用在所有汽车上还很长远,但 HEV中的启动-停止系统及内燃发动机汽车中的刹车能量回收系统,可能带动这领域的开发以比预想更快的速度进步。由于使用了更高电压,保护电路的总功率需要增加,瞬态事件的频率及类型会发生变化。

 

向更高电压TVS元件的过渡结合扁平引脚低厚度的元件封装形式,对于在汽车应用场景中怎样解决存在的电压瞬态有着诸多意义。它们必须结合所有必要的特性,以确保集成电路这个易受损伤的物品能够承受当代汽车内部存在的严格应用环境,同时还为汽车制造商提供节省空间及重量的紧凑性,且不易于遭致更大的散热问题。