采用分散式線束技術(shù)和PPTC器件對(duì)汽車線束進(jìn)行保護(hù)

簡介

今天的汽車制造商正積極致力于減輕車輛重量，以幫助降低二氧化碳排放水平并提高燃油效率。因此，設(shè)計(jì)工程師正在尋求有助于降低線束重量的新技術(shù)和設(shè)計(jì)技術(shù)。為了在當(dāng)今市場(chǎng)中保持競(jìng)爭力，制造商還必須降低保修維修成本并提高用戶滿意度。因此，汽車設(shè)計(jì)人員面臨著在不犧牲系統(tǒng)可靠性的情況下尋找降低車輛重量的新方法的挑戰(zhàn)。

這些行業(yè)趨勢(shì)正在引領(lǐng)設(shè)計(jì)人員重新審視其保護(hù)汽車動(dòng)力功能免受高壓損壞的方法 - 當(dāng)前故障情況。盡管采用分散式線束技術(shù)和PPTC（聚合物正溫度系數(shù)）器件進(jìn)行過電流保護(hù)具有明顯的重量優(yōu)勢(shì)，但許多設(shè)備繼續(xù)使用傳統(tǒng)的，最終更重的熔斷技術(shù)。

本文介紹了顯著的優(yōu)點(diǎn)與使用具有保險(xiǎn)絲保護(hù)的傳統(tǒng)集中式架構(gòu)相比，采用分散式架構(gòu)和TE Circuit Protection的PolySwitch器件來幫助保護(hù)汽車線束。它還描述了PolySwitch器件的獨(dú)特器件特性，并提供了在分散架構(gòu)中使用這些器件如何促進(jìn)更輕，更靈活和更可靠的設(shè)計(jì)開發(fā)的具體應(yīng)用示例。

趨勢(shì)線束保護(hù)

盡管從20世紀(jì)90年代開始采用分散式利用PPTC設(shè)備進(jìn)行線束保護(hù)的方法，但OEM的采用速度卻很慢。事實(shí)上，隨著電氣和電子內(nèi)容不斷增加功能，當(dāng)今汽車中的許多線纜系統(tǒng)變得比以往更大，更重，更復(fù)雜。

除了對(duì)改變傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的抵制外，使用PPTC設(shè)備的好處可能受到歷史上用于車輛的較粗線的阻礙。在過去，機(jī)械強(qiáng)度決定了車輛中使用的最小線材為0.35 mm 2 （22 AWG），這可能帶來8-10 A的電流。這種限制取消了使用的一些好處PPTC器件用于低電流信號(hào)電路（例如，<8 A）。

今天，新興的線材技術(shù)正在使更小直徑的電線具有更大的載流能力，包括小至0.13 mm的電線 2 （26 AWG），最大5A能力。與PPTC保護(hù)的分布式架構(gòu)一起使用時(shí)，這一進(jìn)步帶來了額外的重量減輕。

在中高端乘用車上采用分散式架構(gòu)和TE Circuit Protection的PolySwitch設(shè)備的一項(xiàng)研究顯示估計(jì)僅銅線重量可節(jié)省50％。此外，通過采用分散式架構(gòu)并用可復(fù)位的PolySwitch器件替換保險(xiǎn)絲，系統(tǒng)可靠性和設(shè)計(jì)靈活性得到顯著改善。

汽車線束保護(hù)

在汽車中，電流通過分布在整個(gè)車輛中的幾個(gè)主要和次要電線組件流到各種電氣負(fù)載。對(duì)于12 V電池系統(tǒng)，電路通常在14 V的系統(tǒng)電壓下承載0.10 A至30 A的電流（對(duì)于大多數(shù)卡車和公共汽車中的24 V電池系統(tǒng)，電壓為28 V）。必須保護(hù)線束免受災(zāi)難性熱事件（例如短路）造成的損壞。

設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是增加電路保護(hù)裝置，以幫助防止電氣系統(tǒng)中的潛在過載情況，同時(shí)同時(shí)降低總成本和重量。由于典型的車輛可能包含數(shù)百個(gè)電路和超過一公里的電線，因此布線系統(tǒng)的復(fù)雜性會(huì)使傳統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)技術(shù)難以使用，并可能導(dǎo)致不必要的過度設(shè)計(jì)。

傳統(tǒng)方法：集中式架構(gòu)和保險(xiǎn)絲

保護(hù)汽車布線系統(tǒng)的傳統(tǒng)解決方案是使用集中式和分布式多負(fù)載熔斷器，如圖1a所示。在這種集中式或“星形”架構(gòu)中，每個(gè)功能都需要單獨(dú)的線路。如果單根導(dǎo)線支持多種功能，則導(dǎo)線及其保險(xiǎn)絲也必須支持這些功能的電流總和。

圖1a：典型的集中式架構(gòu)。

由于電氣中心散發(fā)出如此多的電路，幾乎不可能將所有電線布線進(jìn)出單個(gè)接線盒并將盒子放入司機(jī)可以到達(dá)的位置。因此，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員采用線束設(shè)計(jì)解決方案，否定了一些期望的最終效益，例如：

通過在一個(gè)電路中組合負(fù)載來犧牲線徑優(yōu)化和故障隔離。/li>

將電氣中心放置在只有經(jīng)過培訓(xùn)的服務(wù)人員才能進(jìn)入的地方，成本會(huì)增加;和

在各種功能系統(tǒng)之間來回切換，增加了布線長度，尺寸和成本。例如，由于熔絲可接近性的必要性，傳統(tǒng)的門模塊可以具有用于窗戶，鎖，LED和鏡子功能的單獨(dú)的電源;每個(gè)都可能受到接線盒中單獨(dú)保險(xiǎn)絲的保護(hù)。

車輛布線架構(gòu)的傳統(tǒng)集中式方法依賴于有限數(shù)量的大型保險(xiǎn)絲來保護(hù)多個(gè)電路免受高電流損壞故障情況。雖然保險(xiǎn)絲相對(duì)便宜，但作為一次性裝置，它們?cè)诖禋鈺r(shí)必須更換。這一特性意味著保險(xiǎn)絲安裝在可觸及的保險(xiǎn)絲盒中 - 這一要求決定了系統(tǒng)架構(gòu)并迫使封裝和系統(tǒng)布局妥協(xié)。保險(xiǎn)絲在相同外形尺寸下的額定電流額定值為2 A至30 A，通常替代大于設(shè)計(jì)值的保險(xiǎn)絲，或者在非定域模塊中使用時(shí)跳出電路。

替代方法：使用PolySwitch器件的分散式架構(gòu)

優(yōu)化的線束方案具有分層的樹狀結(jié)構(gòu)，主電源“中繼線”分成較小的“分支”，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有過流保護(hù)。這種架構(gòu)允許使用更小，節(jié)省空間的電線，可以減輕重量和成本。它還有助于改善系統(tǒng)保護(hù)并提供故障隔離，從而最終提高可靠性。圖1b顯示了一個(gè)分散式架構(gòu)，其中幾個(gè)接線盒（以黃色顯示）由電源總線提供。離開接線盒為不同功能供電的導(dǎo)線每個(gè)都可以通過可復(fù)位的電路保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)。

圖1b：典型的分散式架構(gòu)。

圖2顯示了部分分布式架構(gòu)的大大簡化版本，每個(gè)接線盒直接饋入模塊或另一個(gè)提供外圍負(fù)載的節(jié)點(diǎn)模塊。

圖2：部分分布式汽車線束架構(gòu)的詳細(xì)信息。

使用PolySwitch過流保護(hù)器件可實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)架構(gòu)的分散式方法。鑒于汽車級(jí)設(shè)備的可用性和繼電器現(xiàn)在可以預(yù)期的可靠性，模塊可以切換和保護(hù)自己的輸出負(fù)載，并且可以位于難以接近的區(qū)域。

因?yàn)镻olySwitch設(shè)備的使用避免了需要通過用戶可訪問的中央保險(xiǎn)絲盒來配置電力，可以通過電源和負(fù)載之間的最直接路徑來供電。這轉(zhuǎn)換為較短長度的較輕規(guī)格的導(dǎo)線，并且導(dǎo)致顯著的尺寸，重量和成本節(jié)省，以及減少每個(gè)車輛中使用的端子，觸點(diǎn)，開關(guān)和電子驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)量。此外，分散式架構(gòu)可以減少連接器和接線盒所需的數(shù)量和尺寸。例如，通過在門模塊中安裝PolySwitch器件，可以使用單個(gè)電源，節(jié)省電線并降低接線盒的成本和尺寸。

表1說明了可以節(jié)省的重量與傳統(tǒng)的融合技術(shù)相比，通過使用分散式架構(gòu)和PolySwitch器件實(shí)現(xiàn)了這一點(diǎn)。 （請(qǐng)注意，本例中使用的最小導(dǎo)線尺寸為0.35 mm 2 ，但如前所述，某些應(yīng)用可能可以使用更小的規(guī)格。）

使用可復(fù)位電路保護(hù)不需要驅(qū)動(dòng)程序可訪問的設(shè)備為設(shè)計(jì)人員提供了許多可以單獨(dú)使用或組合使用的解決方案。仍然可以使用位于儀表板中的單個(gè)接線盒。與保險(xiǎn)絲不同，保險(xiǎn)絲必須位于接線盒的頂部才能接近，PPTC設(shè)備可以嵌入盒子內(nèi)部或位于另一個(gè)面上，這可以減少正面面積要求，如圖3所示。

圖3：傳統(tǒng)接線盒設(shè)計(jì)（左）和縮小尺寸接線盒設(shè)計(jì)（右）的比較。

此外，通過將保護(hù)裝置放置得更靠近連接器，跡線長度可以是減小，整個(gè)接線盒可以縮小尺寸?；蛘撸泳€盒可以分成較小的單元并重新定位在車輛周圍而不考慮用戶可接近性。在這些情況下，PolySwitch器件可幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)更能反映優(yōu)化樹結(jié)構(gòu)及其附帶優(yōu)勢(shì)的電氣架構(gòu)。

PolySwitch器件具有多種外形尺寸，便于各種接口接線盒或電子模塊的選項(xiàng)。通孔和表面貼裝器件可以安裝在使用印刷電路板的保險(xiǎn)絲盒或模塊中。帶式設(shè)備也可用于金屬音品盒。

新一代PolySwitch帶狀設(shè)備也可插入接線盒中的帶葉片的保險(xiǎn)絲或雙金屬斷路器。即使這些器件是可復(fù)位的并且不需要用戶可訪問，但刀片外形允許設(shè)計(jì)人員更換保險(xiǎn)絲或雙金屬器件，而無需等待接線盒的下一次重新設(shè)計(jì)。

應(yīng)用常規(guī)集中式熔斷器采用PolySwitch PPTC器件的分散式電路保護(hù)線重量長度（mm）截面（mm 2 ）重量（kg）長度（mm）截面（mm 2 ）重量（ kg）（kg）（％）雙電動(dòng)窗13950 3 0.3750 3850 3 0.1035 10100 0.8 0.0724 0.3750 0.1759 -0.199 -53％外部照明，
停車燈/尾燈17050 0.8 0.1222 5650 0.8 0.0405 11400 0.35 0.0358 0.1222 0.0762 -0.046 -38％LED CHMSL 2500 1.5 0.0336 0.35 0.0078 77％氣囊5000 3 500 3 0.0134 3800 0.0119 400 0.35 0.0013 0.1463 0.0147 -0.132 -90％

表1：使用傳統(tǒng)熔合與分散式線束結(jié)構(gòu)的線重比較。基于銅密度8.96 x 10-6 kg/mm 3 的線重計(jì)算。

增強(qiáng)可靠性

除了重量和成本節(jié)省外，電路保護(hù)裝置的可靠性是決定如何保護(hù)車輛電氣系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。 PPTC器件比熔斷器具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兡軌虺惺芷嚟h(huán)境中的多種過流事件 - 包括焊絲絕緣和連接器中的端子松動(dòng)等條件 - 無需器件熔斷或降級(jí)。

PolySwitch器件由導(dǎo)電填料（如炭黑）制成，可在整個(gè)器件中提供導(dǎo)電鏈。

該器件在正常工作條件下具有低電阻特性，但當(dāng)電流過大時(shí)，其溫度結(jié)晶聚合物變?yōu)榉蔷B(tài)。

如圖4所示，這種轉(zhuǎn)變導(dǎo)致聚合物膨脹，破壞導(dǎo)電聚合物內(nèi)部的導(dǎo)電通路。在故障事件期間，器件電阻通常增加三個(gè)或更多個(gè)數(shù)量級(jí)。這種增加的電阻有助于通過將在故障狀態(tài)下可以流動(dòng)的電流量減少到低的穩(wěn)態(tài)水平來保護(hù)電路中的設(shè)備。器件保持在鎖定（高阻）位置，直到故障被清除并且電路的電源循環(huán)為止;此時(shí)導(dǎo)電復(fù)合材料冷卻并重新結(jié)晶，使PolySwitch器件恢復(fù)到電路中的低電阻狀態(tài)，并使受影響的設(shè)備恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

圖4：PolySwitch器件通過從低電阻狀態(tài)變?yōu)楦唠娮锠顟B(tài)來幫助保護(hù)電路過流或過溫條件。

技術(shù)比較

由于保險(xiǎn)絲是一次性設(shè)備且熱質(zhì)量較低，因此在某些應(yīng)用中，保險(xiǎn)絲必須“過大”或指定為升高電流額定值以防止“滋擾”。相比之下，PPTC器件的熱質(zhì)量和跳閘溫度允許更緊密地匹配設(shè)備的損壞電流，從而減少較低電流故障事件中的激活時(shí)間。在某些配置中，PPTC器件在給定的故障電流下比熔斷器更快地激活。

擾亂通常是由與電動(dòng)設(shè)備上的某些電氣元件相關(guān)的浪涌電流引起的。例如，間歇操作馬達(dá)通常設(shè)計(jì)成在有限的時(shí)間內(nèi)操作。通常，操作這些產(chǎn)品的時(shí)間超過設(shè)計(jì)的最大限制通常會(huì)導(dǎo)致失速，過熱以及最終導(dǎo)致失效。由于接觸故障或客戶誤用，電源接通時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障情況。為了防止過熱，所使用的電路保護(hù)裝置必須快速“跳閘” - 但不要超過預(yù)期 - 以避免給用戶造成麻煩。

使用PPTC設(shè)備的主要優(yōu)點(diǎn)是它可以規(guī)定跳閘電流大大低于電機(jī)的正常工作電流，但跳閘時(shí)間比整個(gè)系統(tǒng)工作周期長幾倍，從而防止誤跳閘。

保險(xiǎn)絲當(dāng)暴露于超過系統(tǒng)工作電流的故障條件時(shí)，可能達(dá)到不希望的溫度，但不足以引起及時(shí)激活。相比之下，PPTC器件相對(duì)較快地啟動(dòng)并且溫度穩(wěn)定，因此故障電流對(duì)其表面溫度幾乎沒有影響。

平均故障時(shí)間（MTTF）是選擇電路保護(hù)裝置的另一個(gè)重要考慮因素。 。 MTTF的計(jì)算方法與MTBF（平均故障間隔時(shí)間）相同。不同之處在于MTBF是指可修復(fù)系統(tǒng)，以及一次修復(fù)和下一次修復(fù)之間的時(shí)間。 MTTF是無法修復(fù)時(shí)使用的術(shù)語，例如在單個(gè)組件上使用。

表2比較了PolySwitch器件與其他電路保護(hù)器件的MTTF，Bellcore TR332是一個(gè)電信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)?？煽啃灶A(yù)測(cè)。

電路保護(hù)器件MTTF PolySwitch器件29 x 10 13 小時(shí)保險(xiǎn)絲<30 A 200 x 10 6 小時(shí)保險(xiǎn)絲> 30 A 100 x 10 6 小時(shí)斷路器循環(huán)588 x 10 3 小時(shí)斷路器非循環(huán)539 x 10 6 小時(shí)晶體管> 6W 100 x 10 6 小時(shí)

表2：電信應(yīng)用中使用的電路保護(hù)裝置的MTTF比較。

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)在車輛電氣/電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中也發(fā)揮著重要作用。 AEC-Q200是無源元件的壓力測(cè)試認(rèn)證，包括汽車環(huán)境中使用的PPTC器件的測(cè)試要求。測(cè)試計(jì)劃包括一系列電氣和環(huán)境壓力測(cè)試，需要在每次壓力之前和之后進(jìn)行電氣驗(yàn)證。電氣驗(yàn)證測(cè)試旨在檢查部件是否符合電阻，跳閘時(shí)間（TtT）的性能規(guī)格，并在三個(gè)不同溫度（-40°C，25°C和最大T）保持電流。

TE電路保護(hù)的PolySwitch器件具有汽車環(huán)境所需的強(qiáng)大特性，并經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試程序，可在合格壓力測(cè)試之前和之后定義性能限制。用于汽車級(jí)設(shè)備認(rèn)證的TE電路保護(hù)PS400規(guī)范包含AEC-Q200標(biāo)準(zhǔn)，并包含各種ANSI，ISO，JEDEC，UL和軍用標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的相關(guān)物理，功能，環(huán)境，電氣和機(jī)械要求。

應(yīng)用PolySwitch器件和分散式架構(gòu)

電力分配的分散為電氣和電子系統(tǒng)架構(gòu)的創(chuàng)新提供了許多機(jī)會(huì)。以下是可復(fù)位電路保護(hù)如何在轉(zhuǎn)換中發(fā)揮作用的若干示例。

縮小直流電機(jī)和執(zhí)行器的導(dǎo)線，端子，連接器和開關(guān)

由于潛在的高電位失速電流，典型集中配置的電動(dòng)機(jī)電路通常由大型斷路器或保險(xiǎn)絲保護(hù)。在這種設(shè)計(jì)中，需要大規(guī)格的導(dǎo)線，因此需要更大的接口銷和連接器。結(jié)果是需要更大的界面封裝區(qū)域，導(dǎo)致空間和重量問題。此外，由于后門窗和鎖具以及后甲板電源天線的電機(jī)不在其控制開關(guān)附近，因此電機(jī)的供電可能很長很重。

相比之下，分散式架構(gòu)允許設(shè)計(jì)人員通過將PPTC設(shè)備安裝在控制電機(jī)的開關(guān)，繼電器或電子驅(qū)動(dòng)電路上來策略性地定位PPTC設(shè)備。 PPTC設(shè)備還限制通過供電電路到受保護(hù)電機(jī)的流量。這允許供電線顯著地減小尺寸。例如，電動(dòng)車窗電路通常由上游斷路器保護(hù)的3.0mm 2 線供電。通過將PPTC器件集成到電機(jī)控制開關(guān)中，可以將電源線減小到0.8 mm 2 ，因?yàn)殡妷航禃?huì)決定。

縮小電線，反過來允許使用較小的端子，接口連接器和開關(guān)。另外，微控制電路可以在驅(qū)動(dòng)電路中使用成本更低，功率更低，不受保護(hù)的晶體管。這導(dǎo)致導(dǎo)線組件及其相關(guān)硬件的顯著成本節(jié)省。使用小規(guī)格的導(dǎo)線減小了接線組件束的尺寸并增加了導(dǎo)線的靈活性。這改善了接線組件的連衣裙。它還減少了將電線安裝在車輛中所需的力，從而降低了安裝過程中損壞的可能性。以下示例說明了此優(yōu)勢(shì)的相關(guān)性。

減少氣囊安全電路中的饋電線長度

車輛安全氣囊是對(duì)安全電路接線組件提出嚴(yán)格要求的完美示例。這些包括扭曲的信號(hào)線，特殊的電路連接，連接器接口處的短路棒和冗余電源。

在典型的集中式線束保護(hù)方法中，安全氣囊裝置中的供電是從點(diǎn)火裝置引出的切換到保險(xiǎn)絲盒，然后切換到儀表板中央的氣囊控制模塊。或者，分散式方法允許策略性地將PPTC裝置定位在轉(zhuǎn)向柱的底部。這使得供電能夠直接從點(diǎn)火開關(guān)傳送到氣囊控制模塊。這種方法可以消除超過一米的饋電線。

減少拖車牽引燈電路的線重量

粗略使用和不一致的維護(hù)，以及短路由于進(jìn)水導(dǎo)致的過載會(huì)使拖車牽引回路成為高風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用。為了提高可靠性，拖車牽引電路通常使用單獨(dú)的保險(xiǎn)絲和供電電路復(fù)制車輛接線。在這種設(shè)計(jì)中，所有燈通常都由位于中心位置的保險(xiǎn)絲盒中的單個(gè)保險(xiǎn)絲保護(hù)。

然而，在分散式架構(gòu)中，PolySwitch器件可以位于燈組件，連接器或接頭中阻止，有效地消除了三個(gè)保險(xiǎn)絲，一個(gè)繼電器，三根長長的電線和相關(guān)的連接器。這種方法還可以簡化制動(dòng)，轉(zhuǎn)向和危險(xiǎn)模塊和開關(guān)的設(shè)計(jì)。圖5a和5b將傳統(tǒng)的集中式設(shè)計(jì)與分散式保護(hù)技術(shù)進(jìn)行了比較，其中在每個(gè)相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)處使用單獨(dú)的PolySwitch器件來幫助保護(hù)每個(gè)光電路。

圖5a：傳統(tǒng)的集中保護(hù)方案方法。

圖5b：使用PolySwitch PPTC設(shè)備的分散保護(hù)方案方法。

通過使用分散式架構(gòu)，在短路或過載的情況下，車輛的接線受PolySwitch設(shè)備保護(hù)。拖車與電源斷開后，PolySwitch設(shè)備將自動(dòng)復(fù)位。與傳統(tǒng)的電路保護(hù)方法不同，該設(shè)計(jì)還消除了操作員在瞬態(tài)過載情況下定位或更換熔斷保險(xiǎn)絲的需要。

此外，用于將每個(gè)燈連接到接合節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)線只需承載由其供電的光所吸收的電流 - 即使公共饋線及其保險(xiǎn)絲必須承載所有燈吸收的總電流。最重要的是，如果任何拖車牽引燈電路遇到過流故障，則該電路單獨(dú)受影響，其他燈將繼續(xù)正常工作。

減小LED中心 - 高位剎車燈電路的導(dǎo)線尺寸

發(fā)光二極管或LED提供的低功耗和設(shè)計(jì)靈活性使它們?cè)谌魏握彰麟娐分性絹碓绞軞g迎，包括中心高位剎車燈（CHMSL）。在此應(yīng)用中使用LED代替白熾燈可以實(shí)現(xiàn)小規(guī)格，低電流布線的優(yōu)勢(shì)，可以輕松布線到車輛的車頂襯里和靠近鉸鏈的不靈活連接，如圖6所示。

采用PolySwitch器件和分散式架構(gòu)來保護(hù)LED CHMSL照明應(yīng)用提供了更高的設(shè)計(jì)靈活性，與使用集中式方法和保險(xiǎn)絲相比，減少了電線的數(shù)量和重量，提高了可靠性。

圖6：LED CHMSL應(yīng)用中的分布式線束保護(hù)。

結(jié)論

采用分散式架構(gòu)結(jié)合PPTC過流保護(hù)可顯著減輕重量在汽車設(shè)計(jì)中。雖然多年來已經(jīng)了解了分散式方法，但最近可以提供更高電流的更薄電線以及新的行業(yè)激勵(lì)措施，使得這種方法明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的熔斷技術(shù)。使用TE Circuit Protection的PolySwitch PPTC器件采用分散式線束保護(hù)方案，可提供許多重要的設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)。 PolySwitch器件具有可復(fù)位功能，低電阻特性和各種額定電流，可幫助汽車設(shè)計(jì)人員減少導(dǎo)線長度和重量，同時(shí)提高設(shè)計(jì)靈活性和系統(tǒng)可靠性。