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ON 汽車瞬態保護,確保車載電子電路的長遠可靠工作壽命

 2015-04-22

越來越多的電子電路正被集成到市場上推出的一波接一波的新的汽車車型中。這表示駕駛人員及乘客能夠從更大量的特性和功能受益。在這樣日趨擁擠及及複雜的電氣環境中,類比與數位電路佈設的位置極接近,管理電壓瞬態變得比以往更加關鍵了。如果要實現旨在用於動力系統、舒適、安全及資訊娛樂系統的車載系統的可靠工作,那麼,需要運用創新的技術及策略,以確保在正變得越來越嚴格的應用環境中針對瞬態事件維持最高程度的保護。

 

過去二十年來,汽車中的半導體成分幾乎以指數速度增加。各個汽車設計內部不計其數的極敏感的積體電路(IC)(如微控制器(MCU)、專用積體電路(ASIC)及現場可程式設計閘陣列(FAPGA))需要予以保護,防止瞬態事件可能造成的損傷。如今,一輛典型的汽車中包括50多個瞬態電壓抑制器(TVS)元件,而高當豪華車型中的數量還會高得多(通常多達2倍)。

 

保護免受瞬態事件影響的首要目標是要確保車載電子電路的長遠可靠工作壽命。這表示要降低需要進行維修的頻率。它還可説明製造商降低因某個車型之系統故障造成整車召回的風險,而這樣的系統故障可能對品牌造成極大負面影響,不僅是財務上如此,而且在名聲上也是如此。汽車系統潛在上可能暴露在各種不同現象中,其中就包括大電壓尖峰、負載開關瞬態,或者(某些情況下)可能甚至是負載突降放電狀況(雖然修改交流發電機設計,特別是在西方國家的汽車中,如今正在幫助降低這方面的顧慮。)

 

現代汽車設計中TVS元件的作用在兩個領域中至關重要。第一就是座艙電子,如資訊娛樂系統及舒適系統。涉及到小信號。第二就是處理源自電機、螺線管等頻繁開關的源的較大瞬態。

 

ISO7637-2標準定義了專門跟汽車領域相關的瞬態脈衝。它涉及所有採用12 V(用於乘用車)或24 V(用於卡車及商用車)電氣系統供電的汽車,規定了實現標準遵從所需採用的測試方法及流程。值得一提的是,某些汽車製造商在這標準以及考慮的脈衝類型方面有其略微不同的變異版本。

 

不僅是汽車系統正變得更加複雜,讓事情變得嚴重複雜化的是向下一代半導體技術的持續變遷——採用更小工藝節點的IC更易於受到瞬態效應的影響,因而需要更有效的保護。此外,汽車製造商在尋求實現減輕汽車重量以省油。這表示汽車行業在整體上需要更小封裝尺寸及更低厚度的元器件。因此,元器件供應商必須因應生產保護功能更強但外形因數也更小的TVS元件的挑戰。

 

當前,用於汽車應用的TVS元件通常傾向於採用SMA及SMB形式的封裝。但基於已經提到的原因, 存在穩步增長的實現尺寸減小的勢頭。通常情況下,如果要使保護元件完全發揮作用,儘管尺寸減小,仍必須維持能夠承受600 W的額定功率。此外,汽車製造商還要求降低鉗位元電壓,以減小瞬態事件的存在導致的應力等級。供應商如今正尋求轉向SMA-Flat及SOD-123FL形式的封裝。

 

SOD-123FL因應汽車製造商的需求,顯著縮小封裝的占位面積,佔用更小的印製電路板(PCB)面積。但散熱性能有點折衷(因為耗散瞬態能量的面積減小了),裸片尺寸大幅減小(隨著ASIC幾何尺寸轉向28 nm或22 nm,更加需要將峰值電壓抑制到更低的電平,因為矽片更易受影響)。要求重新設計系統以降低功率等級,這表示需要分配更多的工程資源。相關的開發成本會上升,上市時間會延後。這使工藝變遷的理據變得不那麼清楚了。相比而言,SMAT-Flat是一種更有吸引力的選擇。這封裝相比SMA及SMB元件擁有關鍵優勢,不僅減小總體尺寸,還能夠耗散跟SMB元件相當的功率(能比SMA元件耗散更多功率)。由於它的裸片尺寸能跟當前使用的TVS封裝形式相當,它因此就省去了代價不菲的重設計工作。散熱性能得到了維持,但也獲得實現最大封裝占位面積減小的好處。

 

必須要注意的是,當審視設計的總功率要求時,越來越多的情況下,不僅需要考慮電壓範圍,還要考慮電流消耗對總能耗的影響。一種弄清您尋求指定使用的TVS元件的峰值功率耗散能力的方法,就是通過預定義脈衝。能夠將10x1000µs非重複脈衝用於這個目的——這通常表示上升時間為10 µs、到達峰值電流一半值的時間為1000 µs的波形(見圖1)。器件的資料表上通常易於找到這樣的波形。如今市場上正在推出採用SMA-Flat封裝的元件,它們提供跟這數百瓦脈衝相當的功率耗散等級。

 

圖1. 10/1000 µs脈衝波形

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展望未來,純電動汽車(EV)及混合動力汽車(HEV)領域的預期增長將為電壓瞬態保護帶來新的挑戰。這不僅體現在這些汽車本身,而且體現在配合EV及HEV的基礎設施方面,因為這些基礎設施開始大規模地推出。如果汽車行業最終確實發展到使用48 V電源,預計更多的障礙還會湧現。雖然48 V電源應用在所有汽車上還很長遠,但 HEV中的啟動-停止系統及內燃發動機汽車中的刹車能量回收系統,可能帶動這領域的開發以比預想更快的速度進步。由於使用了更高電壓,保護電路的總功率需要增加,瞬態事件的頻率及類型會發生變化。

 

向更高電壓TVS元件的過渡結合扁平引腳低厚度的元件封裝形式,對於在汽車應用場景中怎樣解決存在的電壓瞬態有著諸多意義。它們必須結合所有必要的特性,以確保積體電路這個易受損傷的物品能夠承受當代汽車內部存在的嚴格應用環境,同時還為汽車製造商提供節省空間及重量的緊湊性,且不易於遭致更大的散熱問題。