设计可靠的汽车控制系统是一项具有挑战性的工作。本文将介绍如何确保电路在复杂的汽车和电动汽车环境中正常工作。

随着汽车电气化程度的提升和功能的增加，电子控制架构的性能需向更高效、更灵敏且安全的方向演进—从简单的分布式控制架构逐步过渡到区域控制系统，其中区域控制单元作为核心，负责管理特定区域内的多个电子控制单元（ECU）。

区域控制单元对其周边电子控制单元进行集中管理，简化了布线并减轻了车辆重量。汽车以太网是区域控制的主要通信协议，区域控制单元成为了整辆车中至关重要的控制单元，因此它必须是一个坚固可靠的设备。（有关控制方案更多演变内容，请参见本文末尾的侧边栏“汽车控制架构的演变”。）

防范电气危害

保护区域控制单元免受过电流、瞬态电压和静电放电（ESD）等电气危害，对于其在汽车环境中的可靠运行至关重要。此外，对以太网线路的保护也极为关键，它能确保通信总线不间断工作以及数据传输不被损坏，从而保障车辆的可靠性能。

本文为设计人员提供了有关保护区域控制器电路免受电气危害的相关组件信息。防止通信数据线因电气损害而中断尤为重要，设计人员还将了解到用于保护通信线路的专用组件。这些信息将有助于设计人员研发高可靠性的汽车电子设备。

区域控制单元（ZCU）概述

区域控制单元需与其控制区域内的各类设备交互。因此需支持多种不同的通信协议，与各类设备实现对接。图 1 展示了区域控制单元的电路模块。可能损坏区域控制单元的危险包括过电流情况、瞬态电压，尤其是静电放电（ESD）。   

图 1. 区域控制单元框图

保护DC-DC转换器

DC-DC 转换器将12V 输入电压降压至数字逻辑电平。由于DC-DC 转换器是区域控制单元的电源入口，因此防止过电流造成损坏以及阻止电压瞬变进入电路，对于保证其可靠运行至关重要。

一次性保险丝或可复位保险丝均可提供过流保护。可以考虑使用快速熔断型一次性保险丝。其部分型号在 250% 过载情况下可在5 秒内熔断。汽车应用中，宽温度范围是必备特性。目前有额定温度范围为- 55°C 至+ 150°C 的保险丝可供选择。为节省空间，可选用表面贴装保险丝，其封装可小至1206 规格。此外，在可能的情况下，应选择通过AEC-Q200 认证的元件。

聚合物正温度系数（PPTC）可复位保险丝是一次性保险丝的替代选择。与一次性保险丝相比其优势在于可复位。一旦过流情况消除后，PPTC将恢复为低电阻状态，重新为电路供电。目前已有通过AEC-Q200 认证的型号，且采用节省空间的表面贴装封装。

金属氧化物压敏电阻（MOV）与瞬态抑制二极管（TVS）

对于电压瞬变保护，特别是针对电感瞬变（如电感能量释放），金属氧化物压敏电阻（MOV）或瞬态抑制二极管（TVS）均可安全地吸收其能量。

金属氧化物压敏电阻（MOV）：

o可吸收高达25J 的负载突降能量，符合SAE J1113 规范要求。

o具有- 40°C 至+ 125°C 的宽工作温度范围。

o符合AEC-Q200 标准。

替代元件——瞬态抑制二极管（TVS）型号具备以下特性：

o符合IEC 61000-4-2 标准，可承受高达30kV 的静电放电保护。

o可吸收高达1500W 的峰值功率脉冲或高达200A 的浪涌电流。

o响应时间从低于1ps到低于 1ns不等。

o工作温度范围宽，为- 65°C 至+ 150°C。

o有单向或双向型号可供选择。

o采用表面贴装封装。

o通过AEC-Q101 认证。

保护 DC-DC 转换器免受过电流和瞬态电压浪涌的影响，可防止这些危险情况扩散至下游电路，确保区域控制单元的处理器免受破坏性能量的冲击。

保护区域控制单元的接口电路

在高噪声、高瞬变汽车环境中，所有通过通信协议或控制驱动器与外部设备交互的ZCU电路，都需要进行静电放电保护。例如，Littelfuse 公司拥有丰富的ESD二极管和聚合物ESD保护元件产品组合，能满足各种通信协议的独特要求。

这些保护元件经过优化，能在提供强大ESD保护的同时，将信号失真降至最低。表 1 和表2 描述了适用于不同接口的推荐ESD二极管。相关原理图展示了不同的配置方式，表格中则列出了部分参数。

推荐用于射频电路的ESD二极管具有最低的电容和漏电流，既能提供ESD保护，又能将低电平射频信号的失真降至最低。对于CAN 和I/O 接口，示例电路展示了TVS 二极管的具体应用方式。