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车载电子产品USB埠的电源保护
 

【作者: 陳明航】2015年04月24日 星期五

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在汽车普及的时代,市场上也逐渐出现各式各样的汽车电子产品辅助系统,如GPS导航系统、倒车影像雷达、驾驶安全预警器、行车记录器等,但我们最关心的还是安全问题,车载电子产品必须要尽量保证可在任何时刻都能实现100%的可靠性,因为即使是很小的失效率也有可能危及用户的人身安全。


众所周知,汽车环境对电子产品而言是非常严苛的。 首先是汽车电瓶的电压虽然标称是12V,但是实际输出范围会在8V-16V之间,蓄电池的电流很大,而且由于感性负载因素其电路随时可能会断开(通过熔丝或继电器)。 这样总线上就会产生超过电源电压几倍的脉冲电压,蓄电池误接和蓄电池双倍电压跳跃启动(24V)的操作也会造成充电器输入电压超出标称值。 电池误接是在启动一个没电的电池时,由于粗心而将电缆极性接反所造成的。蓄电池双倍电压跳跃启动是由于很多牵引车都配备两个串联起来的12V电池,以便在寒冷的天气中协助启动一个电池没电的汽车。 这将使得电气系统的电压范围提高到最高28V,直到汽车启动且牵引车司机断开跨接电缆为止。


第三方的电源转换器产品有可能可以过滤掉一些这样的事件,但试验显示,这些电源转换器的瞬态抑制能力有很大的差异性。 当电源转换器出现的异常事件超出车载产品电源管理芯片的最大电压范围时,就会破坏电源适配器。 一旦受到破坏,汽车上的12V将会直接加到外置电子产品的输入端。 厂商通常会在产品的5V输入端附加保护器件来实现电源埠的电压保护。



表一 : 常见不同保护方案的比较
表一 : 常见不同保护方案的比较

OVP积体电路虽然可以解决过压问题,但是没有浪涌保护和负电压保护的功能,而TVS器件可以实现浪涌保护,但是却无法长时间处于过压的状态。最理想的情况是能同时实现长时间过压和浪涌保护,同时还要考虑器件的成本和体积因素。


TE Connectivity公司电路保护部门的PolyZen产品能够同时提供过压、浪涌、过流、过温以及ESD静电保护功能,还具备防电源反接保护的功能。 从2008年以来,该产品的可靠性已经通过了各种手持和车载多媒体设备的验证。 PolyZen产品能提供比分离的可恢复保险丝(PPTC)和稳压器/TVS器件组合电路更高的性能、更多的保护功能以及更小的体积。


当过压故障条件发生时,箝位二极管被击穿后,它的温度将会随着时间的增加而增加,如果故障没有排除,或者有较长时间的过压故障脉冲加载在电路上,这时选用小功率的TVS器件也不能进行有效的保护,就需要大功率的TVS器件来保护后端电子电路,而大功率的TVS器件意味着价格更昂贵,以及封装尺寸更大。


TE公司的PolyZen器件中整合的PPTC能够快速有效的进行过流、过热保护,在故障发生时,齐纳二极管首先提供保护,由于齐纳二极管和PPTC的独特的热耦合特性,齐纳二极管温度上升后,齐纳二极管上的温度能够马上传递到PPTC本体,PPTC本身又是一个热敏组件,它可在很短的时间内动作,成为高阻状态,这样整个电路的电流就能够被限流, 而由PPTC和齐纳二极管来承受故障电压,PPTC可以长时间的承受故障电压,可以胜任一个长时间的持续过压过流保护。PolyZen器件的这个独特性能,使得它能够以较小的封装尺寸来承受较大能量的surge和长时间的过压保护。 系统方块图(图一)显示了PolyZen器件以及PolyZen器件应用于典型输入接口保护电路的电气原理图(图二)。


图一 : PolyZen器件原理结构图
图一 : PolyZen器件原理结构图

图二 : 典型输入埠保护电路中的PolyZen器件
图二 : 典型输入埠保护电路中的PolyZen器件

保护器件未来的发展趋势是小体积和低成本,有鉴于此,TE最近推出了超小封装(3.2 x 2.5 x 1.2 mm)的mini PolyZen器件,它同样可以实现过压、浪涌、过流、反接等保护功能,而且应用上并不需要外接任何其他器件,但是相较于TE已往PolyZen产品所占用的面积,mini PolyZen可以减小50%。 图三是TE公司mini PolyZen产品的外观图。



图三 : Mini PolyZen外观图
图三 : Mini PolyZen外观图

PolyZen产品的典型故障响应如图四所示,图中选用的是一个整合了5.6V齐纳二极管的mini PolyZen器件,在20V过压条件(VIN)下,系统有3A的故障电流(I FLT)通过,mini PolyZen器件中的精密齐纳二极管能够快速地将输出电压(Vout)箝位在5.6V附近,保护了后端负载电路,同时器件中的PPTC能够快速地动作,截断电流,从而为齐纳二极管与整个电子电路提供持续而长久的保护。



图四 :  mini PolyZen 典型过压曲线
图四 : mini PolyZen 典型过压曲线

对于mini PolyZen产品在浪涌电压上的保护性能,我们做了以下实验,先在某品牌产品USB输入电源在线加了一个mini PolyZen器件,再施加2KV 8/20浪涌波形,如mini PolyZen能通过浪涌测试,则再将USB输入电源在线的mini PolyZen去掉,测试没有mini PolyZen器件的USB电源线是否能通过最大浪涌电压。 测试电路如图五和图六所示。



图五 : 浪涌测试电路图(USB电源上加mini PolyZen器件)
图五 : 浪涌测试电路图(USB电源上加mini PolyZen器件)

图六 : 浪涌测试电路图(USB电源上不加mini PolyZen器件)
图六 : 浪涌测试电路图(USB电源上不加mini PolyZen器件)

测试结果显示,在不使用mini PolyZen保护器件情况下,USB充电埠不能承受200V电压的8/20us(12ohm内阻)浪涌冲击;在使用mini PolyZen保护器件的情况下,充电埠承受了至少2000V电压的8/20us(12ohm内阻)浪涌冲击。 具体结果请参阅表一和表二,可见除了长时间的过压保护性能之外,mini PolyZen还具有很强的浪涌保护性能。



表二 : 带mini PolyZen的充电埠浪涌试验结果
表二 : 带mini PolyZen的充电埠浪涌试验结果

表三 : 不带mini PolyZen的充电埠浪涌试验结果
表三 : 不带mini PolyZen的充电埠浪涌试验结果

针对车载电子USB埠的过压、浪涌以及过流保护等,TE公司有一系列的保护解决方案。 更详细的电路保护方案,请参阅TE的入口网站或与我们联系以索取技术支持。


(本文作者陈明航任职于TE电路保护(TE Circuit Protection)公司)


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