- 降低汽車重量設計
- 又不犧牲系統可靠性
- 與傳統的熔斷器保護集中架構進行比較
- 運用帶PolySwitch™ PPTC器件進行汽車線束保護
簡介
為了降低二氧化碳排放水平、提高燃料能效，汽車制造企業如今正在朝著車輛減重這一方向積極努力。因此，設計師們也在不斷尋求能幫助他們有效減輕線束重量的新技術和設計手段。為了保持市場競爭力，汽車制造商還必須降低保修成本并改善用戶滿意度。所以，汽車設計師們正面臨著尋找一條新出路的挑戰—既要減輕車重，又不能犧牲系統可靠性。
這種行業趨勢引導設計人員重新回顧他們所采用的防止因大故障電流而受損的汽車電力功能保護方法。盡管在過流保護上使用分散式線束技術和PPTC(聚合正溫度系數)器件具有明顯的重量優勢，但許多廠家仍在使用傳統的熔斷保護技術，導致線束重量難以減輕。
這份白皮書介紹了采用分散式架構和泰科電子PolySwitch器件保護汽車線束的巨大優勢，并與傳統的熔斷器保護集中架構進行了比較。本文還介紹了PolySwitch器件的特性，并提供了將這些器件用于分散式架構的具體應用實例，將促進開發更輕便、更靈活、更可靠的線束保護設計。
線束保護趨勢
雖然早在 990年代就推出了采用PPTC器件的分散式線束保護手段，但OEM采用這種方法的進展十分緩慢。事實上，隨著現代車輛應用中電氣和電子功能的不斷增加，汽車布線系統已經變得比以往任何時候都要更龐大、更沉重、也更復雜。
除了改變傳統設計方法的阻力之外，使用PPTC器件的好處一直被車輛中歷來使用的粗電線所制約。過去，機械強度規定車輛中使用的最細電線為0.35 mm2 (22 AWG)，可以承載8- 0A電流。這一限制抵消了針對小電流信號電路(如<8A)使用PPTC器件的優勢。如今，新型導線材料工藝已經能做到讓直徑較小的導線承載較大的電流，比如0. 3 mm2 (26 AWG)導線最大可承載5 A電流。如果配合PPTC分散式保護架構，這種進步將會帶來更多的重量節省。
一項針對中、高檔乘用車、采用分散式架構和泰科電子PolySwitch器件的研究顯示，僅銅線一項就節省重量約50%。此外，由于采用了分散式架構，并用可復位PolySwitch器件替代熔斷器，系統可靠性和設計靈活性得到大大改善。
汽車線束保護
在汽車里，電流通過分布在全車的各種主要和次要電線總成流向不同的電氣負載。對于 2 V電池系統來說，電路一般在 4 V系統電壓下(多數卡車和公交車中是24 V電池系統，系統電壓為28 V)承載0. 0A到30A的電流。線束必須加以保護，防止因災難性熱事件(如短路)而受損。
設計人員面臨的難題是既要增加電路保護器件、對電器系統中的潛在過載條件進行保護，同時又要降低總成本和重量。由于典型車輛一般含有數百個電路和超過一公里長的電線，復雜的布線系統使傳統的電路設計手段陷入困境，并會導致不必要的超安全標準設計。
傳統方法：集中式架構和熔斷器
如圖1a 所示，汽車布線系統的傳統保護方案過去采用的是集中和分布式多負載熔斷技術。在這種類型的集中(或稱為“星形”)架構中，每種功能都需要一條單獨導線。如果單根導線支持多種功能，那么這根導線及其熔斷器也必須承載所有這些功能的電流總和。當從電氣中心發出的電路越來越多時，在單獨一個接線盒中安排所有導線的出入線路并將該接線盒布置在方便司機維修的位置，已經變得幾乎不大可能了。因此，系統設計人員曾經訴諸于一些減少了部分最終效用的線束設計方案，如：
1. 把負載組合在一個電路中，犧牲了導線規格優化和故障隔離；
2. 以提高成本為代價，把電氣中心布置在只有經過培訓的專業維修人員才能接近的位置；
3. 在各種功能系統之間來回布線，增加了布線長度、規格和成本。例如，由于熔斷器必須便于維護，傳統的車門模塊可能要為車窗、門鎖、LED和后視鏡功能提供單獨的電力饋線，每條饋線都要在接線盒內用一個單獨的熔斷器進行保護。
圖1a. 典型集中式架構
圖1b. 典型分散式架構
車輛的傳統集中式布線保護架構依靠數量有限的大規格熔斷器來保護各種電路，防止它們因大電流故障條件而受損。雖然熔斷器相對來說不貴，但作為單一用途器件，一旦燒毀就必須更換。這一特性意味著熔斷器必須安裝在便于接觸的熔斷器盒內—這一要求決定了系統架構并迫使封裝和系統布局作出讓步。熔斷器在相同的外形尺寸下也具有2A到30A的標稱額定電流，它們經常被替換成大于設計值的熔斷器或者跳出電路的熔斷器(當用在離域模塊中時)。備選方法：使用PolySwitch器件的分散式架構
這是一種優化的線束保護方案，它具有樹狀層次結構，主電力“干線”分為若干較小的“分支”，而在每個節點提供過流保護。這種架構允許使用規格更小、更節省空間的電線，從而降低了車重和成本。它還有助于改善系統保護并提供故障隔離，因此極大地提高了可靠性。圖1b給出了分散式架構的示意圖，其中多個接線箱(用黃色表示)通過電源總線供電。每條從接線箱出來、接到電源、再到不同功能裝置的電線都可以用一個可復位的電路保護器件保護。圖2是局部分布式架構的一個簡化版本，其中每個接線箱要么直接對一個模塊供電，要么對另一個為外圍負載提供電力的節點模塊供電。
圖2. 局部分布式汽車線束架構的細節
使用PolySwitch過流保護器件可以實現分散式電氣系統架構。鑒于汽車級器件的可用性和在繼電器上可以期待的可靠性，這些模塊可以開關(切換)并保護自身的輸出負載并安裝在不便維修的位置。
由于PolySwitch器件的采用不再需要經過便于用戶接近的中央熔斷器座進行配電布線，因此可以按照電源與負載之間最直接的路徑完成布線。從而縮短了電線長度，減小了電線規格，不僅節省了大量空間、尺寸和成本，也減少了車輛中使用的各種端子、觸點、開關和電子驅動電路。此外，分散式架構還可以減少所需的連接器和接線箱數量及尺寸。比如，通過在車門模塊中采用PolySwitch器件，可以使用一條電力饋線，節省了電線，降低了成本和接線箱尺寸。
表. 傳統熔斷與分散式線束保護架構的電線重量比較。電線重量計算以銅密度8.96x10-6kg/mm3為依據
表1給出了與傳統熔斷保護技術相比，采用分散式架構和PolySwitch器件所能節省的重量。（注意，如前面所述，本例中使用的最小電線規格為0.35 mm，而有些應用中可以使用規格更小的電線。）
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使用不需要司機維護的可復位電路保護器件為設計人員提供了大量可單獨使用也可組合使用的解決方案。位于儀表面板中的單一接線箱可能仍然要使用。與熔斷器不同的是，為便于更換，熔斷器必須安裝在接線箱上部，而PPTC器件可以嵌入接線箱內或安裝在接線箱的其他表面上，從而減少了正面的面積需求，如圖3所示。
此外，通過把保護器件靠近連接器擺放，可以縮短軌跡長度，接線箱外觀尺寸也可以縮小。也可以選擇把接線箱分成若干較小的單元，并圍繞車身重新選擇它們的位置，而不用考慮是否便于用戶接近。在這種情況下，PolySwitch器件可以幫助設計人員實現能更加嚴格地反映優化的樹形結構及其伴隨效益的電氣結構。
PolySwitch器件具有各種形狀系數，便于實現與接線箱或電器組件之間的各種接口方案。插裝式(通孔)器件和表面安裝器件使其適合安裝在使用印刷電路板的熔斷器盒或模塊內。Strap器件則可以用于金屬電極連接。
新一代PolySwitch片式器件還可以象插片式熔斷器或雙金屬斷路器那樣插入接線盒內。雖然這些器件可以自動復位，不需要用戶更換它們，片式器件外形可以讓設計人員更換熔斷器或雙金屬器件，而不用等待下一次重新設計接線盒。
圖3. 傳統接線盒設計(左)與尺寸縮小的接線盒設計(右)之比較
提高可靠性
除了節省重量和成本之外，電路保護器件的可靠性也是決定如何保護車輛電氣系統的關鍵因素之一。與熔斷器相比，PPTC器件具有明顯的優勢，它們能夠耐受汽車環境中的各種過流事件—包擴諸如導線絕緣層磨損和連接器中接線端子松動等情況，而不會造成器件燒毀或降級。
PolySwitch器件是用導電填料制造的，如炭黑，可以提供貫穿器件的導電通道。這種器件在正常工作條件下具有電阻較低的特性，而當過多電流流經該器件時，其溫度會升高，晶體狀聚合物會改變成非晶態。
如圖4所示，這種瞬態會造成聚合物膨脹，導電聚合物內的導電通路斷路。在故障時間過程中，器件電阻一般會增大三個數量級甚至更高。升高的電阻有助于保護電路中的設備，方法是把故障條件下流動的電流降低至較低的穩態水平。故障被排除、電路重新加電前該器件將始終保持在鎖閉(高電阻)位置；在這段時間內導電復合材料逐步冷卻并結晶，使PolySwitch器件恢復至低電阻狀態，并使受到影響的設備恢復至正常工作狀態。
圖4. PolySwitch通過從低阻狀態轉變為高阻狀態來響應過流或過溫條件，幫助保護電路
技術比較
由于熔斷器是單一用途器件，熱容量較低，在某些應用中它們必須選擇“加大”規格，或者規定升高的額定電流，以便防止“誤燒毀(nuisanceblow)”。與之相反的是，PPTC 器件的熱容量和跳閘溫度允許更密切地配合設備的損傷電流，因此縮短了較低電流故障事件中的激活時間。在某些配置中，PPTC器件在指定故障電流下激活比熔斷器激活更快。
“誤燒毀(nuisance blow)”常常是因為與機動設備上存在的特定電氣元件有關的涌入電流而造成的。例如，間歇工作的電機常常設計為工作有限的一段時間。一般來說，運行這種產品的時間如果超過了設計的最大極限，就會造成堵轉、過熱最終直至失效。出現故障條件時仍保持通電，原因要么是接觸不良，要么就是用戶誤操作。為防止過熱，電路保護器件必須迅速“跳閘”—但不能比指定時間更短—以避免對用戶形成誤操作。
使用PPTC器件的主要優勢在于，能夠規定該器件的跳閘電流大大低于電機的正常工作電流，但跳閘時間卻可以規定為完整系統工作周期的數倍，從而防止誤跳閘。
當接觸到超過系統工作電流的故障條件時，熔斷器會達到不需要的溫度，卻又不足以導致及時激活。與此相反的是，PPTC器件的激活速度相對較快、溫度穩定，因此故障電流對其表面溫度影響不大。
平均故障間隔時間(MTTF)是選擇電路保護器件的另一個重要考慮。MTTF與MTBF(平均無故障時間)的計算相同。其區別是MTBF是指可維修的系統，即一次維修到下一次故障之間的時間。而MTTF則用在無法維修的情況下，如某個單一元件。
表2按照電信行業的可靠性預測標準Bellcore TR332比較了PolySwitch器件與其他電路保護器件的MTTF。
行業標準在設計車輛的電氣/ 電子系統中也扮演著重要角色。AEC-Q200——被動元件的應力測試標準，包含了用于汽車環境的PPTC器件測試要求。該試驗方案包括一系列電氣和環境應力測試，要求在每次受力前后進行電氣驗證。電氣驗證試驗的設計目的是核查器件在三種溫度下(-40℃、25℃和最高溫度)是否滿足電阻、跳閘時間和維持電流的性能要求。
泰科電子的PolySwitch器件具有汽車環境要求的穩健特性，符合嚴格的測試程序，這些程序定義了應力測試前后的性能極限。用于汽車等級器件鑒定的泰科電子PS400規范涵蓋了AEC-Q200標準，并采納了各種ANSI、ISO、JEDEC、UL和軍方標準中規定的有關物理、功能、環境、電氣和機械要求。
表2. 電信應用中電路保護器件的MTTF比較
應用PolySwitch器件和分散式架構
配電分散化為電氣及電子系統架構的創新提供了許多機遇。下面列舉了若干實例，說明了可復位電路保護所起的作用。
縮小了直流電機和執行器的導線、端子、連接器及開關尺寸
由于失速電流較高，典型集中式配置中的電機電路一般通過大規格斷路器或熔斷器加以保護。這種設計必須使用規格更粗的導線，因此接口引腳和連接器的規格也必須較大。其結果就是借口封裝面積必須更大，從而帶來了空間和重量問題。此外，由于后門車窗、門鎖和后艙電動天線的電機距離其控制開關較遠，電機饋線可能又長又重。
與此相反，分散式架構允許設計人員把PPTC器件安裝在控制電機的開關、繼電器或電子驅動電路上，實現了電路保護器件的合理分布。PPTC器件還限制了經饋線電路流向受保護電機的電流。這樣就可以大大縮小饋線規格。以電動車窗為例，如果采用上游斷路器進行保護的話，饋電一般要使用3.0 mm2導線。如果在電機控制開關中采用PPTC器件，饋線規格可以縮小到0.8mm2，由壓降決定。
導線規格縮小又可以使用尺寸更小的端子、接口連接器和開關。此外，微調(微控)電路也可以在驅動電路中使用成本更低、功率更小的無保護晶體管。最終大大節省了導線總成及其相關硬件的成本。使用小規格導線減小了布線總成線束的尺寸，提高了導線的靈活性。改善了布線總成的外觀。也減小了在車輛中安裝導線需要的外力，因而降低了安裝過程中造成損壞
的可能性。以下實例說明了這種好處的實用性。
縮短了氣囊安全電路中的饋線長度
汽車安全氣囊是解釋對安全電路布線總成提出嚴格要求的最佳例證。這些裝置包括絞接信號線、專用電路接頭、連接器接口上的短路棒和冗余饋線。
在典型的集中式線束保護方案中，氣囊裝置中的饋線從點火開關到開關到熔斷器座再到儀表面板中央的氣囊控制模塊。而分散式保護方案則可以合理地把PPTC器件布置在轉向柱底座上。這樣就可以讓饋線直接從點火開關連接到氣囊控制模塊。這種方式使饋線縮短了一米多。
減輕了拖車牽引燈電路的導線重量
野蠻使用、維護不一致以及進水導致的短路和過載使拖車牽引電路成為一種高風險應用。為了提高可靠性，拖車牽引燈電路一般獨立使用一個熔斷器和饋電線路。在這種設計中，所有車燈一般都通過安裝在集中熔斷器座內的單個熔斷器加以保護。
然而在分散式架構中，PolySwitch器件可以安裝在車燈總成、連接器或搭接塊上，有效減少了三個熔斷器、一個繼電器、三條長導線和相關的連接器。這種方案也簡化了制動、方向和危險模塊及開關的設計。圖5a和圖5b比較了傳統集中式設計和分散式保護設計，后者在每個對應的交匯節點上使用PolySwitch器件保護各車燈電路。
圖5a. 傳統的集中式保護方案圖
5b. 使用PolySwitch PPTC器件的分散式保護方案
通過使用分散式架構，當發生短路或過載時，由PolySwitch器件對車輛布線進行保護。當拖車與電源斷開后，PolySwitch器件會自動復位。與傳統電路保護手段不同，在發生瞬時過載時，這種設計不需要司機找出、更換燒毀的熔斷器。
除此以外，連接各車燈到交匯節點的導線只需承載流向此車燈的電流——而采用共用饋線及其熔斷器的設計就必須承載流向所有車燈的電流總和。最重要的一點是，無論哪個拖車牽引燈電路發生過流故障，受影響的只有這個電路，其他車燈將正常工作。
縮小了LED中置高位剎車燈電路的導線規格
發光二極管(LED)所具有的低功耗和設計靈活性使其在照明電路中的應用日益普及，包括中置高位剎車燈(CHMSL)。在這種應用中用LED取代白熾燈的好處在于，能使用小規格低電流導線方便地在車頂內襯和靠近鉸鏈處不容易彎曲的連接中輕松地進行布線，如圖6所示。采用PolySwitch器件和分散式架構保護LED CHMSL照明應用提高了設計靈活性，減少了導線數量和重量并提高了可靠性。
圖6. LED CHMSL應用中的分布式線束保護
結論
采用帶PPTC過流保護的分散式架構可以大大降低汽車設計重量。雖然分散式方法已經成熟多年，但直到能承載大電流的細導線近期具備可用性、新的行業激勵因素出現時才使得這種方法比之傳統熔斷保護技術的優勢凸顯出來。
在分散式線束保護方案中使用泰科電子的PolySwitch PPTC器件提供了許多重要的設計優勢。由于其功能可以恢復、低電阻特性、額定電泛，PolySwitch器件可以幫助汽車設計師減少導線長度和重量，同時提高設計靈活性和系統可靠性。
