汽车电子：用自复式电路保护器保护汽车线束

2008年10月16日11:13:37 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

作者：泰科电子瑞侃电路保护产品部全球市场经理Guillemette Paour

越来越多的汽车制造商开始认识到，日益高效的电路保护方案在防止电动车窗、电动车座、电源插座和许多其他功能器件因大电流故障而造成损坏的重要性。保护这些系统可以降低保修成本，提高用户满意度，但由于汽车线束的结构必须不断满足日益增多的汽车电气装置和电子装置的需求，这就给电路保护工作提出了挑战。针对这一挑战，本文介绍了如何使用自复式式聚合物正温度系数（PPTC）电路保护器来保护汽车线束，以防止可能出现的过电流造成的损坏。

线束的结构

汽车线束的理想方案是分层的树状结构，“树干”是主电源，电源主干分成一些越来越小的“分支”，并且在每一个节点上采用过流保护。用这种结构时，可以使用节省空间的较细导线，以减轻重量和降低成本。使用这种线束结构时，还可以对系统的保护进行优化，同时可以把故障隔离开，较终提高可靠性。

图1是部分分布式线束结构的示意图，这个线束结构图已经做了很大的简化。图中的每个接线盒或者直接为模块供电，或者为节点供电——这些节点又为外设负载供电。虽然这种线束方案有许多优点，但是现在的汽车中使用的电路数量很多，因而这种方法在实际中难以实现。从接线盒引出来的电路有几十个，从一个连线盒中把所有的连接线引出来或者所有连接线接到这个连线盒中，同时还要把它布置在驾驶者方便维修的位置，这几乎是不可能做到的。

图1. 汽车中的部分分布式线束结构。

因此，系统设计师要在线束设计上用一些办法，但这样会造成一些设计人员希望的益处因此而失去，例如：一、由于把负载都合并在一个电路中，在连接线尺寸优化和负载故障隔离方面会有损失；二、接线盒在汽车中的位置只有经过训练的服务人员能够接近并进行维修，因而增加成本；三、需要在各种功能的系统之间来回连接线路，因而会增加连接线的长度、体积和成本。

图2a. 普通接线盒的设计。

图2b. 使用PolySwitch™ PPTC电路保护器设计的接线盒尺寸缩小了。

PPTC自复式电路保护器

使用自复式电路保护器，例如PPTC，不需要驾驶者进行维修。设计人员有几种办法使用这种电路保护器，可以单独使用或者合并起来使用。例如，由于熔断器需要更换，普通的车门、车锁、发光二极管和倒车镜都需要单独供电，需要在接线盒中分别用单独的熔断器来保护。如果把PPTC自复式电路保护器用到车门模块上，可以只用一个电源，从而节省了连接线，降低了成本，接线盒的尺寸也减少了。
装在仪表板上的接线盒仍然可以使用，不过，PPTC自复式保护器不是装在靠近普通熔断器的位置，可以把它装在接线盒里面，或者在接线盒的另一面，从而节省仪表板的面积，如图2b所示。此外，可以把它们装在更加靠近连接器的地方，这样可以减少印刷电路板上印制线的长度。因此，整个接线盒的尺寸可以缩小。
还有另一种可行的方案，将接线盒改为一些较小的盒子，装在汽车的各个部位，而不需要考虑维修的问题。此外，利用自复式电路保护——它们的可靠性和继电器一样很高——模块可以切换保护自己的输出负载，在安装位置方面却不必考虑用户进行维修的问题。
这样，使用PPTC保护器后，电气结构可以更接近理想的树状结构，预计的好处都可以实现。

PPTC保护器有各种形状和尺寸的产品。通孔电路保护器和表面贴装电路保护器适合于安装在熔断器盒中或使用印刷电路板的模块中。带状保护器可以很容易地用在做成格子的金属盒中。

此外，新一代的刀片形PPTC保护器可以像刀片形熔断器或双金属断路器那样插在接线盒中。这些保护器是可自复式的，不需要用户维修，由于它们的外形是设计成刀片形的，设计人员可以用它取代熔断器或双金属保护器，不需要修改现有的接线盒设计。

PPTC保护器有许多种额定电流的产品，和普通熔断器相比，它的额定电流从低得多的数值开始，增量也小得多。因此，它们更适合用于保护发出命令的功能电路，在设计方面可以更加灵活。

典型的保护要求

汽车线束必须保护，防止严重的发热事故，例如汽车中的连接线路出现短路而造成的损坏。电路通常需要0.10A到30A的电流，对于12V的电池系统，系统电压为14V（对于大部分的卡车和公共汽车，使用24V的电池系统，系统电压为28V）。

在设计汽车电气系统或电子系统时，行业标准也发挥了重要作用。AEC-Q200是无源元件在进行超负荷强度测试时是否合格的标准，其中包含在汽车中使用的PPTC保护器的测试要求。试验方案中包含一系列的电气和环境的超载强度测试，每次进行负荷超载测试之前和之后，需要检查电路保护器的电气特性。检查这些电气特性的目的是确定电路保护器在三个不同温度（-40℃、25℃和较高温度）下的电阻、动作时间（TtT）以及保持电流是否达到性能指标的要求。

泰科电子已经制定了测试程序，它用于确定电路保护器在进行负荷超载强度测试之前和之后的性能范围，并且把它列入公司的内部规范之中。PS400规范包括针对PPTC电路保护器的AEC-Q200标准。它包括ANSI、ISO、JEDEC、UL和军用标准等各种标准规定的物理、功能、环境、电气和机械等方面的有关要求。

各种技术的比较

熔断器是一次性使用的保护器，在熔断后必须更换。由于它的这个特点，熔断器必在装在便于维修的熔断器盒中，这个要求决定了系统的结构，在封装和布局之间需要作些权衡（如图2a所示）。与此相反，在出现故障时，PPTC电路保护器处在高电阻状态。一旦排除了故障，把电源切断再重新加上后，PPTC电路保护器恢复原来的状态，受保护的系统回到正常的运作状态。

熔断器的标称额定电流从2A至30A，它们的外形和尺寸是一样的，在更换时往往会用额定电流大于设计值的熔断器，当用在不受位置限制的模块中时，电路会跳闸。相比之下，PPTC保护器还有一个好处，这就是可以放在不容易接近的位置，所以用户不能轻易地改变或更换。

双金属保护器通常是经过几次断开又闭合后才会保持在断开状态。与双金属电路保护器相比，刀片式PPTC电路保护器是利电阻切换作用把电流中断。除了它的自复式功能，刀片式PPTC电路保护器的抗冲击、抗振的能力很强，对搬运的要求也较低，而且表面温度较低、功耗较小，降额曲线较平坦。

结论

关于保护汽车中的线束，与普通的保护方案比较，PPTC自复式电路保护器有优于传统解决方案的好处，可以用于保护汽车线束，防止过热事故造成损坏。它们也便于设计，能够实现更加接近于理想的树状结构。新一代的刀片状PPTC电路保护器可以直接取代微型汽车熔断器和I型或II型双金属断路器。

汽车电子：用自复式电路保护器保护汽车线束

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