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PolySwitch PPTC元件在汽車電子保護中的應用方案

上網時間: 2005年08月01日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:汽車電子  電路保護  PPTC  聚合物正溫度係數  PolySwitch 

本文探討了聚合物正溫度係數(PPTC)元件如何在汽車應用(包括電機驅動、控制裝置以及IDB-1394網路等)中實現各種保護功能,如電源保護、輸入/輸出介面的保護、過熱保護、過電流保護等。

圖1:LVR元件在電源保護中的應用。

PPTC元件技術已廣泛應用於可攜式電器、手機、電腦和遠程通訊設備的過流和過熱電路保護設計中。汽車電子技術委員會推出的有關被動元件的新標準,推動了PPTC電路保護技術在汽車產業中的應用,主要針對電子電路和機動附件,如電動車窗、電動座椅、天窗控制和遠程資訊處理裝置,旨在降低成本及提高可靠性和功能性。

電機驅動和控制裝置要經受某些嚴酷的工作環境,而且要求能夠連續和可靠地執行。現場的故障是無法避免的,選擇正確的電路保護策略將有助於確保產品的可靠性,並將製造商和客戶的維修成本控制在最低。泰科Raychem電路保護部的PolySwitch PPTC可重置電路保護元件能在電機的驅動和控制系統中能對某些常見的故障提供保護。

由於PPTC元件具備自復式功能,因此可以允許佈置在用戶無法接觸到的位置,這與傳統保險絲需要佈置在用戶能夠方便更換的位置相比具有明顯的差異。由於PPTC元件是固態元件,因此還能夠耐受機械衝擊和振動。

電源保護

圖2:PPTC元件對輸入/輸出
介面的保護。

PolySwitch PPTC元件一直以來應用於電源直流輸出端的過載和短路保護。在開發出LVR系列產品後,目前PolySwitch元件已經可以應用在電源輸入端的交流主電路中,將交流線路變壓器和其它線路側設備置於它的保護範圍內。這些產品能夠在中性線不小心處於斷開狀態或交流線電壓用於24 VAC輸入端時,為電源提供保護。

LVR元件適用於電源系統,在120VAC和240VAC電壓下,其最大輸入電流可高達400毫安。而電流更大的電源系統可以將PolySwitch元件安置在次級端的輸出電路,用於保護由於過電流狀態所引發的電源故障。

輸入/輸出介面的保護

許多驅動器和控制裝置均配備了通訊和數據介面,用於各個系統元件之間的資訊傳輸。而這些介面的接線有時會與交流或直流電源電纜並排舖設。這些線束可能由於正常的磨損、意外事故、安裝接線錯誤、或在中央配電箱上進行的誤作業,而出現短路現象。如果電源電纜與通訊電線出現短路現象,PolySwitch元件能夠保護任何與這條短路線路相連接的系統以免造成通訊介面的損壞。在某些情況下,這種現象有可能影響到很多系統。而PolySwitch元件在保護介面處所起的作用,可以明顯降低設備常見故障時間和修理成本。

圖3:過熱保護。。

過熱保護

由於PolySwitch元件能夠對來自外部的熱量和內部電流產生的熱量所引發的溫度上升作出響應,並可與高壓設備建立起熱量方面的聯繫,為高壓設備提供過熱保護。建立這種熱量聯繫可以透過將這些元件佈置成與高壓設備產生接觸或靠近高壓設備的方式來實現。

此接觸的方式使該元件能夠很容易地與設備形成物理接觸,從而提高了保護的效果。在這類設備中,變壓器是一個很好的例子,PolySwitch元件可以設置在外部線圈上或外殼上,從而建立起熱量聯繫,還可以在設計時結合到電路中,使其具備在變壓器過熱時向控制器發送警告,系統馬上停止運作。

近距離方式適用於電源半導體元件的保護,而且在小型的表面黏著貼裝PolySwitch元件與電源元件同處於一個銅底板時效果最好。這是一種成本非常低廉的熱量聯繫方式,能夠使PolySwitch元件在溫度超過其動作點時進行動作,同時通知電源元件處於過熱狀態下時應該停止運作。

在這種應用中,會存在一定程度的熱延遲現象,所以這一保護方案無法保護大電流元件以及元件在毫秒級的時間內就產生故障的電源元件。但是,對於絕大多數的過負載狀態,這種配置均可以對電源元件提供保護。

電機失速保護

運動機械均有可能出現堵塞或斷裂故障,並可導致電機失速。在電機失速時繼續供給電源會導致電機的損壞和/或驅動裝置的損毀。將PolySwitch元件與電機驅動器串聯起來後,可以保護電機和驅動電子電路,防止在失速或負載過大的狀態下系統產生故障。在故障清除後(而且電源斷開後),系統可以重新開始正常的運作,無需進行維護或更換元件。通常在汽車應用中,使用PolySwitch元件要求考慮串聯電阻的阻值和元件的最大保持電流額定值。室溫下的最大工作電流為:16V以下為15A,30V以下為9A。

在這些應用中,當這些系統由於過電流或過熱狀態而導致外部故障時,PolySwitch元件能夠允許電機驅動和控制器系統繼續運作。其優點在於提供了一種功能強大和可靠的產品,在其它元件出現故障時可以保護系統。

汽車IEEE 1394網路應用

>圖4:電機失速保護,可防止系統產生故障。

在汽車產業中,家庭生活方式與汽車日益緊密的聯繫方興未艾。採用由美國汽車多媒體介面協會(AMI-C)制訂的標準化全球介面,就能方便地與各種消費電子設備相連,並為這些設備的快速安裝提供便利。在消費電子業界稱為IEEE 1394串列匯流排的網路,在設計時以多媒體內容的傳輸為目標。這一針對汽車產業的附加標準被稱為IDB-1394,由‘1394聯合汽車工作組’制訂。

IDB-1394設計用於高速多媒體應用,即在車內快速傳輸大量的資訊。這項開放式的標準允許可攜式的電子設備與車載網路之間進行連接和互動作業,為兩者建立了溝通管道。

電源介面需要提供過電流保護,而現有的汽車體系所使用的電源標準是在多年以前頒佈的。由於用戶便利埠(CCP)用於傳輸訊號和供電,所以必須對它進行保護,以防止由於各種故障,如接觸不良的電纜或接頭插入到商品時,產生短路或造成下行設備的損壞。這種情況有可能經常產生,所以中央控制面板的短路保護必須有效而可靠。

如圖5所示,車載網路的架構可分為內嵌式網路和用戶便利埠(CCP)。目前的技術規格將內嵌式塑料光纖(POF)車載網路定義為與現有的MOST(媒體定向系統傳輸)技術相似的規格。但是,前者的架構更加穩固、能夠提供更高的數據傳輸速率,並且更易於實現。這個網路能夠連接各種電子設備,如DVD播放機、視訊顯示螢幕、導航系統、收音機接收設備、通訊設備,如無線電話或應急自動遠程通訊及資訊處理技術術語,以及其它的多媒體應用。

這套視訊-音訊網路包括一個CCP,可供乘客將自己的CD、遊戲機和其它使用1394匯流排的設備和週邊連接到網路中,所配電纜通用於家中和車上。

圖5:車載視訊-音訊網路架構。

電路保護要求

在熱插拔汽車環境中,由於客戶經常要在電源介面上連接和斷開各種週邊,所以明顯存在產生短路損壞的潛在危險。電源介面要求具備過電流保護的功能,而應用於目前汽車系統中的現有電源標準是多年以前制訂的。因為用戶便利介面用於傳輸訊號和供電,所以必須對它進行保護,以防止由於各種故障,如接觸不良的電纜或接頭插入介面時,產生短路或造成下行設備的損壞。這種情況有可能經常產生,所以中央控制面板的短路保護必須有效而可靠,而且最好是能夠重置的。

電流限制可以透過使用電阻、保險絲、開關或PPTC元件來實現。目前很少採用電阻保護方案,因為它會在正常電流狀態下產生過大的電壓降。有可能採用一次性保險絲方案,但是這種保護易於損壞,而且必須在產生故障後予以更換。雙金屬開關的侷限性在於它存在反覆接通,並有可能導致觸點熔連故障。在很多汽車應用中,最好的保護方案為PPTC元件,這種元件在正常工作狀態下呈現低阻抗,而在產生故障時呈現高阻抗。

PolySwitch PPTC元件廣泛用於IEEE 1394應用,在汽車多媒體應用中,這種元件常用於為連接到汽車網路的GPS定位設備、CD音響和其它電子週邊的輸入輸出介面提供電路保護(如圖6)。

圖6:PolySwitch PPTC可幫助電
路設計師滿足電路設計的安
全需求。

PPTC元件與傳統的熔斷器相似之處在於:能夠在故障產生和持續狀態下限制危險的大電流;而不同之處在於:在故障消除後和/或電路電源斷開後,PPTC元件能夠自行重置。另一項優點是這種元件較為小巧,能夠直接安裝在電路板上,並且可安裝在電子模組、接線盒和配電中心元件內。

採用通用電子產業標準的車載產品能夠有助於客戶利用新面市的產品來升級汽車。而通用的匯流排也有助於汽車製造商在技術進步、不斷超前汽車設計循環周期的情況中,解決由此引發的技術過時的問題。在熱插拔汽車環境中,由於客戶經常要在電源介面上連接和斷開各種週邊,所以明顯存在產生短路損壞的潛在危險。而PPTC元件為這一問題提供了有效的過電流保護方案。這種可重置的電路保護元件也有助於製造商生產出安全可靠的產品,以滿足管理機構的要求,並且降低產品維護和修理成本。

IDB-1394標準介面允許用戶使用熱插拔設備,而對於電源介面和可攜式設備在多媒體網路上的過電流保護必須可靠而經濟。PolySwitch系列元件所具有的低阻抗、快速分斷響應時間、外形小和可重置功能等特點,有助於電路設計師設計安全可靠的產品,以滿足管理機構的要求,並降低維護成本。

PolySwitch產品的優點還包括與大規模電子裝配技術相容的製造特性,並且可選擇的產品範圍非常廣泛,提供了設計上更大的靈活性。

作者:Rick Astley


汽車應用經理


泰科電子





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