汽车电子系统的电路保护策略方案解析

关键任务子系统必须健壮可靠，以确保驾驶员和乘客安全。

除非车辆的电子电路具有高度的可靠性和抗电冲击能力，否则自动驾驶汽车（AV）所提供的安全性和便利性无法实现。通过提供过流保护，瞬态浪涌保护，静电放电（ESD）保护和反极性保护，设计人员可以大大降低电路故障的风险。电路保护策略应从三个关键任务子系统开始：摄像头，雷达和ADAS。

保护相机子系统

在音视频设备中，多个摄像机可提供基本的前向和后向视觉，并协同工作以提供深度感知，通过CCD / CMOS图像传感器将可见光转换为电信号，以发送给通信和控制电路。摄像机子系统中的电路块如图2所示。需要保护组件的关键是与外部电路连接的部分。

摄像机电源子系统需要保护免受三种潜在影响：过电流，高瞬变和ESD。保险丝提供过电流保护。设计人员可以选择传统的一次性熔断陶瓷熔断器，也可以选择基于聚合物的正温度系数（PPTC）可复位熔断器。两种组件均可满足汽车要求的宽温度额定值。

如果发生过电流情况，PPTC的优点是无需更换。该专用保险丝因为过电流产生的热量而实质上增加了电阻。消除过电流后，PPTC恢复到低电阻并重置电路。两种组件都有表面贴装封装，以节省宝贵的PCB空间。

除了过电流之外，电源电路还需要保护，以防止由车内电源（例如，电动机通电和断电）引起的电压瞬变。该电路必须能够承受ISO 7637和16750标准定义的瞬变。兼容的组件包括瞬态电压抑制器（TVS）二极管，它们可以安全地吸收脉冲1、2、3中指定的低能量瞬变和高能量瞬变。

收发器解决方案

为了避免灾难性的故障（如果意外地使电源电压极性反转），设计人员可以在保险丝中串联一个肖特基二极管。在提供反极性保护的同时，二极管的低正向压降对电源性能的影响最小。

CAN协议收发器需要针对ESD，快速电气瞬变和其他过电压瞬变的保护。二极管阵列具有30 kV空气和30 kV接触放电能力，具有很高的ESD鲁棒性。这些设备用于帮助设计人员满足道路车辆ESD的ISO 10605标准。此外，凭借约15 pF的电容和1 µA以下的泄漏电流，二极管阵列不会干扰协议传输。这些器件可在-40°C至+ 150°C的温度范围内工作，以适应汽车环境。

推荐的用于保护CAN收发器的电路如图3所示。一个两通道二极管阵列既保护高线又保护低线。单个保护组件有助于降低生产成本。像CAN收发器一样，以太网收发器也需要ESD保护。二极管阵列和聚合物ESD抑制器可以为高速差分数据线提供必要的保护。这些二极管阵列可提供高达±30 kV的ESD保护，并可以在单个封装中保护差分线对，以节省空间。还可以提供0402版本作为分立组件，以实现PCB板布局的灵活性。

在电容必须绝对最低的系统中，可以考虑使用0.04pF的聚合物ESD抑制器（AXGD1系列）。电容低不会阻碍1 Gbit以太网的传输速率。与OPEN Alliance以太网组织的建议一致的配置和组件示例如图4所示。

最重要的电路是图像传感器——一种双极性，低电容保护组件。该二极管可承受高达±30 kV的ESD冲击，泄漏电流极低（典型值低于10 nA），电容约为0.35 pF。为了节省空间，该ESD二极管采用1.0mm x 0.5mm超小尺寸SOD882封装。

保护相机子系统的四个与外部电路和外部环境连接的电路块，将确保一个强大，可靠的可见光检测系统。尽可能在电路输入附近使用推荐的组件以避免多余的能量损坏关键电路。

保护雷达子系统

雷达子系统为重要的前方和后方行人检测以及避免碰撞功能提供信号输入。如图5框图所示，雷达子系统电路具有两个DC电源。低噪声电源为模拟雷达发射机和雷达接收机电路模块供电。常规电源为逻辑和通信电路供电。像摄像机子系统电源一样，雷达子系统电源也需要过流保护，瞬态浪涌保护，反极性和ESD保护。

多种产品可以保护电源免受过电流和反极性的影响。同样，设计人员可以选择传统的表面贴装保险丝或PPTC自恢复保险丝。两个电源的输入线串联的低正向电压肖特基二极管将为电源和所有雷达子系统电路块提供反极性保护。设计人员应在每个电源的输入处为单个电源提供浪涌保护。

TVS二极管是推荐的电涌保护组件。设计人员根据瞬态功率额定值（低功率瞬态为400W / 600W，高功率瞬态为1，500W至7，000W）选择TVS二极管来保护电源。波形发生器和模拟前端分别是雷达发射机和雷达接收机的一部分。它们与发射器和接收器模块分开（图5中），因为在发射器输出和接收器输入模块上添加保护组件会改变其发射和接收阻抗。保护元件可以保护尽可能多的电路。

与相机子系统中推荐用于图像传感器的ESD二极管类似的双极组件，将提供必要的ESD保护。与摄像头子系统一样，雷达子系统将其信息传输到车辆的中央处理子系统。双极二极管阵列为CAN I/O线的高侧和低侧均提供ESD保护。以太网收发器可以使用二极管阵列或聚合物ESD抑制器来最大程度地减少信号失真，并且不会影响以太网传输速率。

保护ADAS通讯和控制

信号处理、通信和控制子系统（图6）用来操作车辆。它必须是健壮，可靠和确保功能安全的。该电路必须识别出正在行驶的其他车辆，遇到危险时则需要快速停车，并且需要对故障传感器做出安全响应。故障安全固件至关重要，但能够承受瞬态能量冲击的硬件也至关重要。向控制器提供信息的所有电路模块都需要防静电保护。

电源需要过流保护、电涌保护和反极性保护。此电源的保险丝可以位于模块内，也可以位于车辆低压接线盒的更上游。通过其浪涌功率额定值选择的TVS二极管可提供必要的浪涌瞬变保护。与电源输入线串联的肖特基二极管可提供反向电压极性保护。

每个通信链路都需要针对每个端口的独特性能和配置而设计ESD保护。下表列出了ADAS通信和控制子系统中使用的通信协议及其不同的数据速率。设计人员可以从各种具有独特特性的二极管阵列和聚合物ESD抑制器中进行选择，以保护每个通信链路，不会影响其数据速率或其高至低电压差。

直接连接至DSP电路模块的任何信号线均应具有ESD保护。设计人员可以使用二极管阵列或聚合物ESD抑制器，为高信号线和低信号线提供双极性保护。设计人员拥有广泛的组件，可以用来保护电路免受上述潜在压力的影响。选择符合AEC-Q合格组件既可以加快对标准认证机构的遵守，同时又使设计人员相信这些组件将提供必要的保护级别。
编辑：hfy