汽車電路浪涌防護方案

【摘 要】電浪涌現象指的是電路中一種短暫的過電壓、過電流現象。電浪涌對汽車電路中的電器元件會造成不同程度的損害，導致嚴重后果，必須加以防護。本文主要論述了電浪涌的產生原因及危害，闡述抑制汽車電路中浪涌電壓和浪涌電流的方法。

【關鍵詞】汽車電路 浪涌 原因及危害 防護 方案

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2016）01B-0098-03

電路中的浪涌是一種形象的說法，它是指電路中出現的瞬間過電，是電路中一種短暫的電流、電壓波動，持續時間通常為百萬分之一秒，其先快速上升后再緩慢下降，會對電路產生很大影響。浪涌會立即或者緩慢地損壞電器設備，對電路中的精密電器的殺傷力更大，嚴重的會造成線路短路，導致火災，因此，各種電路中都設有浪涌保護措施。本文主要討論汽車電路浪涌防護的問題。

一、汽車電路中浪涌產生原因和危害

汽車電路中浪涌主要有兩個來源：一是來自電路外部，另一個是來自電路內部。它的產生主要有以下幾個原因。

（一）雷電感應過電壓

當汽車所在區域出現了強雷電天氣時，盡管雷電直接擊中汽車的可能性不大，但是雷電產生的強感應電壓可能會沿著電源線和信號線等導入汽車電路，形成強烈的雷電浪涌，沖擊汽車電路中的電器設備，導致電器元件立即損壞。雷電產生的浪涌也可以使控制設備產生誤動作，造成交通事故。

（二）操作過電壓

汽車存在很多感性負載，如電機、繼電器等，而且這些元器件經常處于開通和關斷交替的工作狀態。感性負載的接通和關斷必然會在電路中產生較大的操作過電壓，其感應電壓的數值，往往達到電源電壓的數倍，造成電器元件的損壞。

（三）其他原因產生的浪涌

生活環境中存在的大功率發射信號，如電視臺信號，雷達站發射的雷達信號，高壓輸變電設備產生的高壓電磁輻射，甚至宇宙射線和太陽黑子輻射等，都可能在汽車電路中產生浪涌電壓。

（四）靜電

人體和汽車任何絕緣部分都可能產生靜電，靜電電壓有時候會達到幾千伏。當帶靜電的人體或者是汽車的絕緣部件，接觸到電子設備時，超高的靜電電壓會瞬間造成汽車電路的損壞。

浪涌對汽車電路的沖擊，會出現電路數據丟失，電路損毀，性能衰退，電池短命，車載視頻閃抖，音響設備聲音噪雜等問題。它造成的危害有災難性危害和累積性危害兩種。災難性危害主要由于雷電過電壓和靜電造成。累積性危害是指小浪涌多次沖擊半導體器件，對元器件的損壞雖然在短期內不明顯，但多次累積后，會使半導體器件功能衰退，設備發生故障，壽命縮短。這些小浪涌的危害雖不及雷電，但是他們頻繁產生，會緩慢損壞設備元件，這在汽車電路中經常發生。

二、汽車電路中浪涌的防護措施

浪涌分為浪涌電壓和浪涌電流。它們對電路的損害原理不同，因此要采取不同的防護措施加以防護。

（一）浪涌電壓的防護措施

浪涌電壓對電路的危害主要是由于產生的過電壓超過了電器元件的額定電壓，從而導致電器元件損害，PN節被擊穿，控制電路控制失靈，誤操作等。通常用壓敏電阻（VDR）和瞬變電壓抑制二極管（TVS）這些限壓器件，來對電路中的浪涌電壓進行抑制。

壓敏電阻（VDR）最大的特點是，當它兩端的電壓低于其“閥值”電壓時，壓敏電阻的阻抗相當于開路狀態，只有很小的漏電流通過；當電路電壓超過它的“閥值”電壓時，流過它的電流可以迅速增大，相當于通路。利用壓敏電阻的特性，可以將電路電壓鉗制在“閥值”以內，防止后部電路受到過電壓的損壞。壓敏電阻的響應時間為NS級，結電容在幾百到幾千PF的數量級范圍，其瞬間功率很大，但平均功率很小，不能長時間導通。

瞬變電壓抑制二極管（TVS），是一種高效能的二極管保護器。其外形和電路符號都與普通二極管無異。當尖峰電壓或者是浪涌電壓沖擊TVS管時，TVS管的阻抗能夠以高達1×10-12秒的速率降低，允許一個大電流通過，其兩端間的電壓保持在一個預定的數值上，從而確保后面的電路元件免受瞬態高能量的沖擊而被損壞。TVS相比于壓敏電阻，其響應速度更快，結電容可以做到更低，鉗位性、抗靜電性更好，價格稍貴，但通流能力稍遜于壓敏電阻，適用于電路IC級的防護。

（二）浪涌電流的防護措施

當汽車電子器件出現故障或者發生誤操作，或者出現短路現象，很容易產生浪涌電流。浪涌電流會使導線和接點產生高溫，燒毀絕緣，產生短路，甚至引起火災。

電路中對浪涌電流的限制，有兩種基本的方法：在電源電路中簡單布置防護設備作為浪涌電流限制器，成為被動浪涌電流保護電路。在電路中布置浪涌防護限制器，當浪涌峰值消失后，浪涌防護設備被旁路成為主動浪涌電流保護電路。采用哪種限流方式主要取決于電源功率，設備承受浪涌電流沖擊的頻率，工作溫度范圍和系統成本等因素。

對于小功率電源，最簡單的浪涌電流限制方案是與負載串聯一個普通的電阻器。但對于額定功率較大的電源，固定電阻會產生較大的功率損耗從而降低電路的整體效率。采用負溫度系數的熱敏電阻（NTC），進行被動限流保護。NTC的特性是阻值隨著溫度的升高而降低。當浪涌來時，溫度較低，NTC呈現較高阻值，可以有效限制電路中的電流峰值，一旦受熱，其阻值降低到可以忽略不計的水平，有效降低電路的功率損耗。這一方案由于電路簡單，成本較低，利于實現。在對電源功率要求不高的情況下，被廣泛采用。

當電源功率大于500W時，被動保護電路的功率損耗就非常明顯。因此較高功率水平的電路采用主動ICL保護電路，一旦浪涌峰值電流消退，ICL保護電路被旁路，盡可能地減少功率的損耗。NTC熱敏電阻對溫度過于依賴，在設計方案中要考慮諸多問題：比如當浪涌電流沖擊時，INC熱敏電阻溫度較高，呈現低阻狀態，則對浪涌電流的防護失效；當外界氣溫較低時，NTC呈現低阻狀態，其功率損耗則較大等。有正溫度系數的熱敏電阻PTC（或者PPTC）可以提供更有效的限流方案。

PTC或者PPTC熱敏電阻，在環境溫度下，作為一個普通電阻使用，其阻值依其型號不同，可以在20-500Ω之間選擇。這一阻值可以有效地抑制浪涌電流的峰值。峰值一過，充電電路可以把PTC旁路。如果充電線路發生故障，在電路中出現持續很大的電流，PTC電阻值隨著溫度的升高而顯著增大，對電路起到更有效的保護作用。

三、汽車電路浪涌防護方案舉例

汽車運行工況復雜，在汽車電路中電磁繼電器、電感性負荷很多，經常處于交替關斷的狀態，各種原因形成的浪涌，對汽車電路及各種車載電子元器件都會造成不同程度的損壞，解決汽車電路中浪涌問題，主要有以下解決方案。

（一）汽車12V/24V電源浪涌防護方案

本方案主要應用于汽車電源系統。汽車在起動瞬間和出現異常工作情況時會有很大的浪涌產生，對汽車電子產品造成損壞。對于汽車電源浪涌的防護，主要采用下面的防護方案。

本方案利用了TVS和PPTS，對汽車電源的后端電路進行了浪涌電壓和浪涌電流的雙重保護。如圖1所示，在汽車電源電路中，當浪涌電壓沖擊時，瞬間電壓抑制二極管（TVS）電阻迅速降低，可以吸收一個大電流，將電壓鉗制在額定值范圍內，對電路形成第一時間的保護。TVS管動作速度快，但是通流能力有限，不能長時間工作，此時，正溫度系數的熱敏電阻（PPTC）隨著電路溫度的升高電阻迅速增大，抑制了電流的上升，起到第二保護作用。兩種保護措施同時使用，克服了TVS管通流能力不強，和PPTS管動作時間慢的缺點，對電路的保護更加完善。此方案可以過IOS-7637-2標準的五類測試條件。

（二）汽車USB防護方案

車載電子設備不斷增多。汽車USB接口應用越來越普遍，我們可以通過USB接口進行手機充電、車載MP3或插U盤聽歌等。USB需要支持熱插拔；傳輸速率高達480Mbps，不容忍丟包；USB芯片集成度高，很脆弱，易受靜電損壞。下面以USB2.0為例來解析汽車USB浪涌防護方案。

在此方案如圖2所示，采用了一個瞬態抑制二極管（TVS）。瞬態抑制二極管（TVS）的主要參數為：

TVS【ESD05V14T-LC】Vrwm：5.0V；Vb：6.0V；防靜電能力（接觸/空氣）：8KV/15KV；結電容（f=1MHz）：1.2pF；封裝為STO-143。

方案中，采用適用于USB2.0接口的ESD05V14T-LC 限壓型靜電保護器件。USB的電源線，數據線用這顆TVS對地做防護，鉗位靜電電壓。該器件采用節省空間的0402和0603表面安裝形式的封裝，工作電壓為5V，12V，24V三個等級，其電容值可以低到0.02PF，一般的都在2-3.5PF之間，按照IEC 61000-4-2，ESD空氣放電15KV、接觸放電8KV。優點是體積小、效果好、反應時間快、價格便宜。

（三）車載網絡系統電路保護方案

車載網絡系統將扮演著越來越重要的角色。新型客車、卡車、公共汽車甚至摩托車都已裝有移動的網絡，將眾多特征和功能連接在一起，如內置控制、移動媒體和無線網絡。信息娛樂系統、遠程信息處理、安全控制等的應用均需使用幾種現有的網絡標準，其中LIN、CAN、FlexRay就是重要的三種標準。

1.LIN拓撲的電路保護措施

LIN是一種結構簡單、配置靈活、成本低廉的新型低速串行總線，在車身電氣控制等方面主要使用LIN總線。LIN總線標準要求當LIN總線路因正電壓小于26.5V或接地而出現短路時，網絡應恢復正常工作。物理層上的ESD浪涌電阻根據IEC61000-4-2要求必須符合最低放電電壓電平±2kV。然而，ECU連接器上可能會出現達到±8kV的電平。為了防止LIN總線電路免受浪涌破壞。采取以下方案進行保護。

設置在電源輸入端的PPTC器件，保護ECU和LIN節點連接器免受過電流損傷。并聯在電路中的MLV（多層電壓敏電阻器），可以限制電壓尖峰，為車載網絡應用提供所需的高電流處理和能量吸收的過電壓保護。

2.CAN 拓撲的電路保護措施

CAN總線在汽車上的應用提高了汽車的動力性、操作性、安全性和燃油經濟性。CAN總線通過CAN收發器與與物理總線項鏈。CAN總線收發器可允許總線供電電壓高達±80V直流電。而電路中產生的浪涌電壓，其峰值遠遠大于80V，會損傷收發器（收發器的操作電流也因供貨商的不同而有所差異）。為此，采取以下方案對其進行保護。

3.FlexRay拓撲的電路保護措施

FlexRay是繼CAN和LIN之后的最新研發成果，可以有效管理多重安全和舒適功能。譬如，線控剎車和線控方向盤。該線控網絡方式支持同步和異步數據傳輸，數據傳輸率約為10Mb/s，具有時間觸發和事件觸發行為、冗位和容錯的特點。

該結構支持一“束”2個節點至64個節點，其功能主要依靠于兩種類型的處理器——ECU和“活動星”。FlexRay通訊通過一個常用總線或一個星形連接在ECU之間進行。FlexRay元件的總線輸入必須避免在總線路和系統供電電壓或地電位之間出現短路現象。因此，必須在電路中進行過電流保護。

人們對汽車操控安全性和乘坐舒適的要求越高，汽車上電氣設備就會越復雜。電氣設備越精密，集成度越高，抵抗浪涌的能力反而越弱。因此，對汽車電路上的浪涌電壓（或電流）的進行防護尤為重要。本文對汽車電路中浪涌產生的幾大原理進行了分析，詳細闡述了汽車電源浪涌防護，USB接口浪涌防護和車載網絡系統電路浪涌防護等方案。這些方案，在眾多車型電路浪涌防護中被采用，防護效果得到實驗驗證，是非常有效的解決浪涌問題的辦法。

【參考文獻】

[1]張春艷，李金廣.淺談電涌保護器的選用[J].大眾科技，2006（7）

[2]包聯初，龐君，周云福.第四屆中國國際防雷論壇論文摘編[J].汽車電子設備防護，2005（9）

[3]溫厚林.基于電力自動化系統防雷措施分析[J].硅谷，2010（18）

【作者簡介】文艷宇（1979— ），女，出生于廣西桂林，現就職于柳州市交通學校，講師。研究方向：汽車電子技術及新能源汽車發展方向。

（責編 盧建龍）