伴隨著每一代新汽車的問世，電子系統的數量也在不斷增加。不僅是因為對高級輔助駕駛系統（ADAS）或互聯信息娛樂系統的需求不斷增長，如今即使是入門級汽車也整合了高端汽車中的先進電子系統，包括安全、遠程信息處理和互聯。

對于這些電子系統，在設計階段的早期就將保護考慮進來是非常重要的。不幸的是，在系統的設計階段，電路保護往往被低估，甚至被忽略了。

電路保護為何如此重要呢？

不僅是因為它有助于電子設備保持其設計功能，還可以增強可靠性；在許多情況下，乘員安全是保護生命的最重要的方面。

電氣危害的主要來源是來自人體的 ESD（如在連接智能手機時觸摸 USB端口），以及在汽車制造或進入維保時來自組裝或維修人員的 ESD。來源于電路中的負載切換瞬變，以及雷電引起的（通過磁場進入車輛電子設備的）浪涌等。過載和短路電流與汽車內的電源有關，需要使用保險絲或自復式保護器件（如 PPTC）加以保護。

立法，正將環境保護的需要轉化為提高燃油效率的更強制性的法規。歐盟將在 2021 年將二氧化碳排放限制在 95g/km，而在其他地區，針對二氧化碳排放量也有非常相似的規定。所有汽車制造商遵行這些法規的唯一途徑是在其產品組合中推出混合動力和電動車型。如此會導致越來越多的電子設備被采用，特別是高壓/大電流應用（逆變器、DC-DC 轉換器、充電器等等）。因此，針對這些要求的特定的電路保護解決方案的需求在不斷增加。

然而，設計師在尋找合適的技術或產品、滿足這種新汽車系統的應用要求上卻往往面臨著挑戰。

本文將重點強調電路保護的特殊要求，并介紹在這一領域當前和未來的技術對混合動力汽車中主要的大功率應用。

電池管理系統

純電動和混合動力車需要便攜式儲能來為電動動力組件提供電力。最根本的問題是，電能無法被儲存，只能以化學形式（如電池和燃料電池）或機械形式存在，需要通過使用電能轉換器來轉換成電的形式。關鍵在于以最小的封裝和環境污染并盡可能有效地進行轉換（即具有高功率密度和能量密度的轉換）。尋找能量儲存和轉換裝置的過程是艱巨的，從汽車動力到車輪的整個能量轉換過程都必須是最高效的。

EV/HEV 的電池的理想特性有：

●高功率/能量密度，以減少空間和重量。

●高電流以降低充電時間。

●長壽命和循環壽命。

●良好的電池平衡和電池組管理，以提高效率和續航。

●合理的成本。

電池是由單個的電池單元組成的，它們將化學能轉化為電能。多個這樣的電化學電池單元串聯起來，形成一個電池模塊，以提供一定的電壓。每個單位電池單元的電壓取決于電池的化學性質；串聯模塊的電池單元數量取決于所需的總電壓。

EV/HEV 中使用的電池是一個電池組，由多個電池模塊的串聯和并聯組合。串聯和并聯組合是基于所需的直流側電壓和電池的能量容量配置的。串聯連接產生所需的電壓，并聯連接為電池組的最小運行時間提供所需的容量。

此外，電池組配備了充電平衡和均衡、以及電池組管理電路。電池組管理電路確保了可靠性和對過充電、過放電、短路和熱過載的保護。電池組管理電路能夠對電池的狀況和故障進行報告。

圖 1：鋰離子電池系統。電池單元及電池組

此外，還需要對電池管理系統本身加以保護，使這一重要的系統在所有條件下（組裝、維護和正常運行）都安全可靠。

圖 2 所示的是包含主要模塊的高壓電池系統。

圖 2：高壓電池系統：構建模塊及其保護

主要保護需求為：

1.傳感線路保險絲可以保護防止傳感線路短路：根據電池系統，會安裝多達 200 條傳感線路來測量每個電池單元的電壓，以確定它們的充電狀態和狀況。從理論上講，根據故障模式，在隨機傳感線路之間會發生短路。潛在的故障：交通事故或裝配問題，導致冷卻劑或其他液體的泄漏，從而產生導電沉積。

電路保護器件的電壓范圍取決于電池配置，對于中斷額定值也是一樣。此外，傳感線路保險絲應具有較低的溫度降額、低耐寒性、長期穩定性，能夠應對溫度周期和振動，并且具有較小 體積。

2.電池監測 IC 傳感線路輸入過電壓保護：保護電池監測的低壓（5V）輸入端子免受瞬變的影響。在電池組的裝配和維護過程中會發生熱插拔瞬變；而充電器、逆變器和電機驅動器等車輛系統，通過傳導或通過鄰近電纜的感應耦合，會誘發其他瞬變。

3.菊鏈 I/F（如熱插拔、ESD）的過電壓/ESD 保護。電路保護器件應具有較低的電容（保持信號完整性，最大程度降低數據丟失）、低鉗位電壓、小形式因數，以及 10 到 數百 W 的功率容量。

4.電池串兩端的高壓 TVS 可提供瞬變保護（如熱插拔）

圖 3：傳感線路和電池監測保護

5.Overvoltage CAN 總線 I/F 的過電壓/ESD 保護：CAN 總線是用于將電池監測控制器與更高級的 BMS 控制器（然后與汽車中的其他控制器通信）連接起來的典型的接口。在汽車電池系統的密集環境中，CAN 線路會遭受由 ESD（例如在裝配和維護的過程中）導致的過電壓應力或其他汽車系統通過偶合或傳導而引起的瞬變。

6.用于電力線保護的高壓/大電流保險絲：高壓/大電流主保險絲是汽車大功率系統中電流過大或短路事件情況下確保安全性的最后一道防線。合適的保險絲需要與系統下游的其他保險絲（例如接線盒）進行良好的協調。保險絲需要能夠承受幾千安培的電流，并且能夠長時間持續傳導大量的電能。

圖 4：微控制器和電力線保護

車載充電器

圖 5 是電動和插電式混合動力汽車中使用的典型車載電池充電器的框圖。

圖 5：電池充電器電路的拓撲結構

該電路由輸入端的橋式整流器以及其后的功率因數校正（PFC）電路和全橋 DC/DC 轉換器組成。

主要保護需要為：

圖 6：橋式整流器、功率因數校正（PFC）和全橋 DC/DC 轉換和保護器件

1.交流輸入保險絲：需要能夠在高達 250V 單相交流電壓下高電流（例如 32A）的汽車級過電流保護保險絲。高分斷能力以及承受振動、浪涌瞬變和熱循環的能力是關鍵。

2.交流輸入瞬變保護：由于直接連接到電網，需要使用 MOV 提供瞬變（8/20μs）保護； 所用的 MOV 需要能夠在高溫（125°C）下運行，并且提供交流線路的工作電壓。符合 AEC-Q200 標準要求是必要條件。

3.直流側電容器保護：即使直流側電容器的目的是過濾某些瞬變，但是在某些情況下仍然需要保護；快速汽車級 TVS 二極管可以保護這些昂貴的部件。

a.柵極過電壓保護：以前使用的是齊納二極管，但是這些器件不具有TVS 二極管的快速響應、更高的浪涌能力和可靠性等優點。

b.有源鉗位保護：集電極到柵極的直接反饋。當集電極-發射極電壓超過鉗位元件的擊穿電壓時，電流流向柵極。因此，柵極電位升高，降低集電極電流斜率，從而達到穩定的狀態。鉗位元件的設計決定了 IGBT 兩端的電壓。

4.高壓直流側過電流保護：有助于消除由于 OCB 或電池組中的故障或交通事故等外部事件造成的短路危險。

5.高壓直流側過電壓保護：可以清除由開關（熱插拔）或其他汽車其他引起的過電壓瞬變。

6.CAN 總線-ESD 和瞬變保護。OBC 通過 CAN 總線與BMS 等其他系統進行通信。在密集封裝的環境下，CAN 線路經常會受到 ESD（例如在裝配和維護過程中）的過電壓應力和由其他汽車系統通過感應耦合或傳導耦合引起的瞬變的影響。

ISO 10605 和靜電放電（ESD）保護

該國際標準是針對道路車輛的，它規定了評估電子模塊的各種 ESD 測試方法。這些模塊包括信息娛樂和互連解決方案、GPS 接收器到電池和充電系統的控制模塊等等。以上每一個例子中的共同點是都需要連接，因為它們將與系統處理器通信并受其控制。

通常情況下，控制總線是 CAN 或 LIN 總線，而市場已經開始探索速度更快的總線，包括以太網和對汽車更為專用的 BroadR Reach。在可靠性方面，這些數據總線雖然提供了通信路徑，同時也成為 ESD 等電氣瞬變的侵入途徑。

在消費電子和工業市場中，最常引用的 ESD 標準是 IEC 61000-4-2。它為行業提供了應該使用的ESD瞬變波形的指導準則，以及測試方法。關鍵是要在已完成的產品和系統（成品）上進行測試。這意味著智能手機、平板電腦或筆記本電腦應是完全組裝好的，并且可以在所有電源輸入和數據端口插上相應的電纜。然后在系統的機箱、連接器和電纜上完成 ESD 測試。在汽車市場中，這類似于使用 ESD “槍”將完全組裝的車輛的各個表面周圍全部掃一遍。

但是，情況不止于此。為了確保最高的可靠性，ISO 10605 規定，每個系統必須在車輛中安裝之前以單獨和完整的形式進行測試。簡而言之，確保整個車輛的 ESD 保護可靠性的最佳方法是首先確保每個構件（電氣/電子子系統）能夠承受反復的 ESD 瞬變。這樣做是為了確保模塊能夠應對由裝配過程、維修技術人員或車輛乘員引起的電氣干擾。

在完全組裝的車輛中，在駕駛員、乘員、組裝人員和維修技術人員將與車輛接觸到的部位也要進行測試。通過增加這些模塊級測試要求，ISO 10605 將 IEC 61000-4-2 標準提升到一個新的水平。

此外，它要求制造商以比 IEC 標準更高的電壓和電流水平來測試電子模塊，以反映汽車的更嚴苛和惡劣的電氣環境。這意味著車輛中每一層電子設備都需要最堅固的電路保護，以抵御汽車常見的惡劣的 ESD 瞬變。

AEC-Q101 – 元件級質量標準

對可靠性和質量的需求在車輛和模塊級上不會止步。這種需求也延伸至元件級。為了符合應用的要求，AEC-Q101 規定了在這些應用中使用的分立半導體解決方案的質量要求。專門針對電路 ESD 保護的分立和陣列解決方案也必須符合 AEC-Q101 標準的要求。

該標準描述了一系列確保汽車環境中基于半導體的元件的長期可靠性的合格性測試。對于采用 TVS 二極管或 TVS 二極管陣列等 ESD 保護器件的汽車制造商，這些器件需符合 AEC-Q101 標準的要求。

ISO 10605 標準關注的是電氣危害，而 AEC-Q101 是一份環境標準。對于被認為符合 AEC-Q101 標準的元件，它們必須能夠承受以熱沖擊和溫度循環、高濕度和極端溫度為特征的惡劣的汽車環境。因此，該標準確保了在汽車中安裝之后，元件不會因為任何本質缺陷而發生故障。

AEC-Q200 – 元件級質量標準

正如半導體器件需要滿足汽車應用中最低的質量要求，無源器件也需要達到類似的質量標準要求。在這種情況下，ESD 解決方案有多層壓敏電阻和基于聚合物的 ESD 器件。這些技術的應用包括針對低速電路（如CAN 和 LIN）的 MLV，和針對高速電路（如以太網和 BroadR Reach）的高分子聚合物 ESD 器件。

傳動系電路需要保護

汽車中的每個電路都容易受到浪涌和瞬變的損害。無論元件或電路的所在位置在哪，都會受到惡劣條件和溫度的影響。

以下列出了一些需要保護的最常見的汽車電路：

●傳統通信總線 - 控制局域網（CAN）和本地互連網（LIN）：它們是最流行的的通信總線標準，覆蓋汽車中 50% 至 75% 的電路。它們已有多年的應用歷史，因其可靠性而廣受歡迎。

●CAN 總線允許微控制器和器件在車內進行通信，無需使用主機。它是專為汽車應用設計的基于消息的協議。CAN 系統能夠處理從動力轉向到發動機微控制器和變速器之間等一切通信。

●LIN 總線是一種經濟有效的串行網絡協議，用于車內組件之間的通信。它通常用于處理簡單的電機功能，如電動座椅和切換巡航控制等。

●由于在汽車中幾乎無處不在，這些總線在模塊安裝期間以及車輛的運行和維護期間都將會受到 ESD 的影響。它們很容易暴露于可能導致 CAN 或 LIN 收發器故障的瞬變。

下圖所示的是 CAN 和 LIN 總線的典型 ESD 保護方案。由于 CAN 總線是雙通道電路，最常見的解決方案是采用一個雙通道二極管陣列。LIN 總線為單通道，因此它的 ESD 解決方案采用的是分立 ESD 二極管或多層壓敏電阻。

高速數字總線 - 以太網，BroadR Reach 端口：以太網歷來被用于在路由器、交換機和訪問硬件之間提供連接的遠程通信系統。它是一種久經驗證的非常可靠的解決方案。近年來，一直有提高 CAN 和 LIN 等現有總線的速度的需求。以太網最初是用于 1Mbps 版本；這顯著提升了 CAN 總線的性能，目前大約達到了 100Mbps。同樣，汽車專用的 BroadR Reach 旨在提供 100Mbps 的處理能力，且可能會因其更為簡單的雙線配置而被選擇使用。而以太網需要使用四線。

更多的控制器模塊的增加以及對簡化車輛中的通信網絡（也可以減少電纜的數量，從而降低總重量）的希望推動了對更大帶寬的需求。無論選擇哪種通信方案，雙通道和四通道低電容 ESD 陣列都可以用來提供所需的保護。

作為電氣瞬變來源的交流發電機

現代汽車設計需要大量的電能。許多電子應用（信息娛樂、導航、ADAS、電源控制等）都與電池連接，并最終連接至交流發電機。

交流發電機需要將角動量轉換為電能，但它也是電氣瞬變的來源 - 其中最不利的是負載突降。當交流發電機正在發電且其他電氣和電子負載保持連接至電池電路的同時，正在充電的電池被斷開時，就會發生這種情況。

如果不加以處理，電尖峰脈沖和瞬變將在整個電源電路中傳播，從而導致有源電子元件和傳感器中的電應力過大。這種過應力會導致汽車電子系統中的元器件部分或永久性損壞。因此，諸如負載突降等瞬變會威脅到車輛的安全性和可靠性。

ISO 7637-2 和 ISO 16750-2：電源電路上的電壓瞬變：

在歷史上，ISO 7673 被用作在汽車的電源電路上發現的電壓瞬變的參考文獻。它們的定義非常明確：是由電動負載的各種切換（電機和電感負載）和意外斷開所造成的。

這三種脈沖有相似性：

●脈沖 1：表示電感負載（例如電機）與電源意外斷開連接，存儲的電荷被轉儲到電源電路的情況。

●脈沖 2a 和 2b：表示“受害”電路并聯的負載電流突然斷開，以及直流電機在點火關閉后所產生的電壓瞬變。

●脈沖 3a 和 3b：表示由開關元器件產生的電壓瞬變或“脈沖群” - 類似于工業應用中的電快速瞬變。

●脈沖 5a：是兩個標準之間存在差異的地方。這種脈沖代表的是車輛中（例如混合動力電動汽車 ）有 交流發電機且在電池充電時電池引線斷開的情況。這會導致大量的能量被釋放（傾注）到電源電路中。脈沖的持續時間在 40ms 到 400ms 之間，電壓和交流發電機電阻值由最終用戶確定。

兩個標準之間最重要的區別在于電氣系統將承受的這些負載突降脈沖的次數。對于 ISO 7673-2，只需要對系統脈沖一次。對于 ISO 16750-2，要求更為嚴格，需要 10 次脈沖（每次脈沖間隔 1 分鐘）。這會影響到保護方案，因為轉而采用 ISO 16750-2 將會增加保護元件上電應力的次數。

適當的切換事件和負載突降保護的注意事項

電路保護器件，包括瞬態電壓抑制（TVS）二極管和壓敏電阻，是保護敏感電子設備免受上面描述的電壓和電流瞬變的影響的最有效方法。選擇 TVS 二極管是因為它們是具有快速響應時間（低鉗位電壓）和低泄漏電流的硅雪崩器件，還因為它們沒有損耗因數。

壓敏電阻通常被用作瞬變浪涌保護的一線解決方案。具體的例子包括保護車內電子設備的超小型表面貼裝多層壓敏電阻（MLV）以及保護更接近于交流發電機本身的電源電路的金屬氧化物壓敏電阻（MOV）。

二極管應符合 AEC-Q101 標準要求；壓敏電阻應符合 AEC-Q200 標準要求。

正如上文所討論的 ESD 保護解決方案，汽車電子協會（AEC）元器件技術委員會制定了嚴格的指導準則，制造商在設計、生產和測試在汽車中使用的元器件時必須遵守。

在汽車工業中使用的保護器件必須承受瞬變、機械和熱環境，還要鉗位至夠低的電壓以保護集成電路。在為汽車應用選擇合適的 TVS 二極管時，設計工程師應該尋找能夠提供適合汽車應用的峰值脈沖功率耗散額定值的產品。

典型的額定值范圍為：從 200W 到 3000W（10/1000μs）（僅經歷最小的瞬態能量（脈沖 1、2 和 3）的電路）， 2200W（必須經受未鉗位負載突降（脈沖 5a）和其他瞬態電壓事件的電路）。

針對交流發電機瞬變的保護，替代的電路保護解決方案會用到 MOV。為了保護敏感的電子設備免受因負載突降事件引起的電壓瞬變的影響，所選擇的 MOV 需要提供高達 5KA（8/20μs 脈沖）的高峰值浪涌電流額定值，以及可靠性的能量吸收能力。工程師應只選擇和信賴符合行業標準 AEC-Q200（表 10）、ISO 7637-2 以及 ISO 16750-2 要求的 MOV 器件。