使用多开关PPTC装置，用于汽车线束保护

　　今天的汽车制造商正积极致力于减少汽车重量，以帮助减少二氧化碳排放水平和提高燃料效率。因此，设计工程师正在寻找新的技术和设计技术来帮助降低线束重量。为了在当今市场保持竞争力，制造商还必须降低保修成本，提高用户满意度。因此，汽车设计师们面临着寻找新的方法来减少车辆重量而又不牺牲系统可靠性的挑战。

　　这些行业趋势使设计师们重新审视他们保护汽车动力功能的方法，以避免因高电流故障造成的损坏。尽管使用分散式的线束技术和PPTC(聚合物正温度系数)装置用于过流保护的明显的重量优势，许多人仍然使用传统的，最终更重的融合技术。

　　本文介绍了采用分散体系结构和TE电路保护的多开关器件来保护汽车线束的显著优点，与传统的采用熔断器保护的集中式结构相比。它还描述了PolySwitch设备的独特设备特性，并提供了具体的应用程序示例，说明这些设备如何在分散的体系结构中使用，可以促进更轻、更灵活、更可靠的设计的开发。

　　利用保护的趋势

　　尽管自上世纪90年代以来，利用PPTC设备的一种分散的保护措施已经开始使用，但在OEMs中采用这种方法的速度很慢。事实上，随着电子和电子内容的不断增加，当今汽车的许多电线系统已经变得比以前更大、更重、更复杂。

　　除了对改变传统设计方法的抵制外，使用PPTC设备的好处可能会被历史上用于车辆的粗线所阻碍。在过去，机械强度要求在车辆中使用的最小金属线是0.35 mm2 (22 AWG)，可以从8-10 A携带电流。这一限制取消了使用PPTC器件用于低电流信号电路的一些好处(例如，< 8a)。

　　如今，新兴的电线材料技术使得更小直径的电线具有更多的载流容量，包括最小的0.13 mm2 (26 AWG)，最大的5个能力。在使用ppc保护的分布式体系结构时，这种提升导致了额外的重量节省。

　　一项研究，采用了分散的建筑和TE电路保护的PolySwitch设备，在中高范围的乘用车上，仅铜线的重量估计就节省了50%。此外，通过使用分散式结构，用可重置的多开关器件来替代保险丝，系统可靠性和设计灵活性得到了显著提高。

　　汽车安全带的保护

　　在一辆汽车中，电流通过几个主要的和次要的电线总成流到不同的电力负荷，并在整个车辆中分布。电路通常在14伏的系统电压下携带0.10 A到30的电流，用于12 V电池系统(在大多数卡车和公共汽车中发现的24 V电池系统的28伏)。线束必须保护免受灾难性的热事件造成的损坏，例如短路。

　　设计人员面临的挑战是增加电路保护装置，以防止电气系统中潜在的过载情况，同时降低总成本和重量。由于一个典型的车辆可能包含数百个电路和超过一公里的电线，复杂的布线系统可以使传统的电路设计技术难以使用，可能导致不必要的过度设计。

　　传统方法:集中式架构和融合。

　　保护汽车布线系统的传统解决方案是使用集中式和分布式多负载融合，如图1a所示。在这种集中式或“星型”架构中，每个函数都需要一个单独的连接。当单线支持多个功能时，电线和保险丝也必须支持这些功能的电流之和。

　　典型的集中式架构图。

　　图1a:典型的集中式架构。

　　由于有如此多的电路来自于一个电气中心，几乎不可能将所有的电线进出一个接线盒，并将盒子放在一个可驱动的位置。因此，系统设计人员采用了设计方案来否定一些预期的最终收益，比如:

　　在一个电路中结合负载，牺牲导线大小的优化和故障隔离。

　　在只有经过培训的服务人员才能到达的电子中心，费用增加;和

　　在各种功能系统之间来回路由，增加布线长度、尺寸和成本。例如，由于保险丝可访问性的必要性，传统的门模块可能会为窗户、锁、发光二极管和镜像功能提供单独的电源。在接线盒中每一个可能被单独的保险丝所保护。

　　传统的车辆线路结构集中方法依赖于有限数量的大型保险丝，以保护多重电路免受高电流故障条件的破坏。虽然熔断器相对便宜，但作为单用途设备，它们在爆炸时必须更换。这个特性意味着fuses被安装在可访问的保险丝盒中——这是一个要求系统架构和强制打包和系统布局折衷的要求。fuse的额定电流也从2 A到30 A在相同的形状因子中，经常被替换为大于设计值的值，或者当在delocalized模块中使用时跳出电路。

　　另一种方法:使用PolySwitch设备进行分散的体系结构。

　　一个优化的线束方案有一个层次结构，树状结构和主动力“树干”划分成较小的“分支”，在每个节点上有过电流保护。这种结构允许使用更小的节省空间的电线，以减少重量和成本。它还有助于改进系统保护，并提供故障隔离，最终提高可靠性。图1b显示了一个分散的体系结构，其中几个接线盒(用黄色表示)由power总线提供。从接线盒上流出的电线为不同的功能提供电源，可由可复位电路保护装置保护。

　　典型的分散体系结构示意图。

　　图1b:典型的分散架构。

　　图2显示了一个非常简化的部分分布式体系结构的版本，每个接线盒直接提供一个模块或另一个提供外围负载的节点模块。

　　部分分布式汽车线束结构示意图。

　　图2:部分分布式的汽车线束架构的细节。

　　使用多开关过流保护装置，可以使电力系统结构的分散式方法。考虑到汽车级设备的可用性和可以从继电器中得到的可靠性，模块可以切换和保护它们自己的输出负载，并且可以位于不可访问的区域。

　　由于多开关设备的使用，消除了通过用户可访问的中央保险丝块传送电能的需要，电力可以通过电源和负载之间最直接的路径进行路由。这意味着更短的长度的更轻的测量线和结果的显著的大小，重量，和成本节约，以及减少的终端，接触，开关，和电子驱动电路在每辆车使用。此外，分散的体系结构可以减少连接器和连接盒的所需数量和大小。例如，通过在门模块本身中加入PolySwitch设备，可以使用单个电源，节省电线，降低接线盒的成本和尺寸。

　　表1说明了使用分散的体系结构和多开关设备可以实现的重量节省，与传统的融合技术相比。(请注意，本例中使用的最小线尺寸为0.35 mm2，尽管一些应用程序可能可以使用更小的规范，如前所述。)

　　使用可重新设置的电路保护装置，不需要驱动程序可访问，为设计者提供了许多可单独使用或组合使用的解决方案。在仪表板上的单个接线盒仍可使用。不像fuses，它必须放置在接线盒的顶部以便于可访问，PPTC设备可以嵌入在盒子里或位于另一个面上，这可以减少额区域的要求，如图3所示。

　　传统的接线盒设计和缩小尺寸的接线盒设计。

　　图3:传统的接线盒设计(左)和缩小尺寸的接线盒设计(右)的比较。

　　此外，通过将保护装置放置在靠近连接器的地方，可以减少跟踪长度，并减小整个接线盒的尺寸。或者，接线盒可以被分成较小的单元，并在不考虑用户可访问性的情况下重新安置在车辆周围。在这些情况下，PolySwitch设备可以帮助设计者实现一个更紧密地反映优化树结构及其附带收益的电气架构。

　　PolySwitch设备可在多种形式的因素中使用，它可以提供多种接口选项，包括接线盒或电子模块。通孔和表面安装设备可以使用印刷电路板安装在保险丝盒或模块中。带式装置也可用于金属波纹盒。

　　新一代的多开关叶片装置也可以在接线盒中插入像一个有叶片的保险丝或双金属断路器。虽然这些设备可以重新设置，不需要用户访问，但有叶片的表单元素允许设计人员替换一个保险丝或双金属设备，而无需等待连接盒的下一次重新设计。

应用程序	传统的集中式融合			分散的电路保护 PolySwitch PPTC设备			线的重量
应用程序	长度(毫米)	部分(平方毫米)	体重(公斤)	长度(毫米)	部分(平方毫米)	体重(公斤)	(公斤)	(%)
双电动窗	13950	3	0.3750	3850	3	0.1035
				10100	0.8	0.0724
			0.3750			0.1759	-0.199	-53%
外部照明, 公园/尾巴灯	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%
空气袋	5000	3		500	3	0.0134
	3800		0.0119	400	0.35	0.0013
			0.1463			0.0147	-0.132	-90%

　　表1:使用传统的fuse与分散的线束架构进行钢丝重量比较。基于铜密度8.96 x10 -6 kg/mm3的钢丝重量计算。

　　增强的可靠性

　　除了重量和成本节约外，电路保护装置的可靠性是决定如何保护车辆电气系统的关键因素。PPTC设备提供了一个明显的优势，因为它们能够承受在汽车环境中多次的过载事件，包括在一个连接器中，如磨损的电线绝缘和松散的终端，没有设备的吹风或退化。

　　多开关器件采用导电填料，如炭黑，在整个装置中提供导电链。

　　该装置在正常运行条件下具有低阻特性，但当电流流过时，其温度升高，结晶聚合物变化为无定形状态。

　　如图4所示，这种过渡导致聚合物膨胀，破坏导电聚合物内部的导电路径。在故障事件中，设备电阻通常会增加3个或多个数量级。这种增加的电阻有助于保护电路中的设备，通过减少在故障条件下可流动的电流的数量，降低到稳态的低水平。该设备保持在其锁紧(高电阻)位置，直到故障被清除，电源被循环使用;在此期间，导电复合材料冷却并重新结晶，将多开关器件恢复到电路中的低电阻状态，并将受影响的设备恢复到正常的运行状态。

　　多开关器件的图像有助于保护电路。

　　图4:多开关器件通过从低电阻状态到高电阻状态来保护电路，以响应过电流或过温条件。

　　技术比较

　　因为保险丝是单用途的设备，并且有一个低的热质量，在某些应用中，它们必须是“超大型的”或指定的额定电流，以防止“讨厌的打击”。相比之下，PPTC设备的热质量和行程温度允许更接近设备的损伤电流，从而减少了较低电流故障事件的激活时间。在某些配置中，PPTC设备在给定的故障电流中比保险丝更快地激活。

　　在机动设备上发现的某些电气部件的涌流通常会引起讨厌的打击。例如，间歇式运行马达通常设计为在有限的时间内运行。一般来说，操作这些产品超过设计的最大限度通常会导致停滞、过热和最终失败。由于接触故障或客户误用，当电源被控制时出现故障情况。为了防止过热，使用的电路保护装置必须快速地“旅行”——但不是比预期的快——以避免给用户造成滋扰。

　　使用PPTC设备的主要优点是，它可以被指定为大大低于电机正常工作电流的行程电流，但它的时间比整个系统的运行周期要长好几倍，从而防止了恼人的跳闸。

　　当保险丝暴露在超过系统运行电流的故障状态时，就会达到不良的温度，但还不足以引起及时的激活。相比之下，PPTC装置的启动相对较快，且温度稳定，因此故障电流对其表面温度影响不大。

　　故障时间(MTTF)是选择电路保护装置的另一个重要考虑因素。MTTF与MTBF(平均故障间隔时间)相同。区别在于，MTBF指的是可修复的系统，以及一次修复和下一次故障之间的时间。MTTF是在不可能修复的情况下使用的术语，例如在单个组件上。

　　根据可靠性预测的电信行业标准Bellcore TR332，表2将PolySwitch设备的MTTF与其他电路保护装置进行了比较。

电路保护Device	MTTF
PolySwitch Device	29 x1013小时
保险丝< 30	A200 x106小时
融合> 30	A100 x106小时
断路器周期为	588×103小时
断路器非cycling	539 x106小时
晶体管> 6W	100 x106小时

　　表2:电信应用中电路保护装置的MTTF比较。

　　工业标准在汽车电气/电子系统的设计中也起着重要的作用。AEC-Q200是被动元件的压力测试条件，包括用于汽车环境的PPTC设备的测试要求。该测试计划包括一系列电气和环境压力测试，要求在每次压力之前和之后进行电气验证。电气设计验证测试,检查零件满足性能规格电阻,time-to-trip(TtT),并保持目前在三个不同温度(-40°C,25°C和马克斯T)。

　　TE电路保护的多开关器件显示了汽车环境所需要的鲁棒特性，并受到严格的测试程序的约束，这些测试程序规定了在合格压力测试之前和之后的性能限制。用于汽车额定设备资格的TE电路保护PS400规范包括AEC-Q200标准，并包含了在各种ANSI、ISO、JEDEC、UL和军事标准中指定的相关物理、功能、环境、电气和机械要求。

　　应用多开关器件和分散体系结构。

　　权力分配的分散化为电子和电子系统架构的创新提供了许多机会。以下几个例子说明了可复位电路保护如何在转换中发挥作用。

　　用于直流电机和执行器的电线、端子、连接器和开关。

　　由于有可能出现大的失速电流，典型的集中配置的电机电路通常由一个大的断路器或熔断器来保护。在这种设计中，需要有更大的测量线，因此需要更大的接口引脚和连接器。其结果是需要一个更大的接口包装区域，从而导致空间和重量问题。此外，由于汽车后窗、锁和后甲板的动力天线不位于它们的控制开关附近，电动机的电力供应可能会很长很重。

　　相比之下，一个分散的体系结构允许设计者通过安装在控制电动机的开关、继电器或电子驱动电路上，来策略性地定位PPTC设备。PPTC装置也限制了通过电源馈电电路到受保护电机的流量。这使得电源馈线可以显著缩小。例如，一个电源窗口电路通常由一个由上游断路器保护的3.0 mm2导线供电。通过在电机控制开关中加入PPTC装置，电源馈线可以减小到0.8 mm2，因为电压下降。

　　缩小的电线，反过来，允许使用更小的终端，接口连接器和开关。此外，微控制电路可以在驱动电路中使用成本更低、功率更低、不受保护的晶体管。这将大大节省电线组装及其相关硬件的成本。使用小规格的电线会减小布线装配束的尺寸，增加电线的灵活性。这改善了配线装配的服装。它还减少了在车辆中安装导线所需要的力量，从而减少了在安装过程中损坏的可能性。下面的例子说明了这个好处的相关性。

　　在气囊安全电路中减少电源馈线长度。

　　汽车气囊是安全电路布线装配的严格要求的完美范例。这些包括扭曲的信号线，特殊的电路连接，连接器接口的短路棒，和冗余的电源馈电。

　　在典型的线束保护的集中式方法中，气袋安装的电源从点火开关到保险丝块，再到仪表板中心的气囊控制模块。另一种方法是，分散的方法可以在转向柱底部战略性地定位PPTC设备。这使得电源可以直接从点火开关到气囊控制模块。这种方法可能导致消除超过一米的电力馈线。

　　拖车式轻质电路的减线重量。

　　由于进水造成的短路和不稳定的维护，以及由于进水而导致的短路和过载，使得拖车拖拽成为高风险的应用。为了提高可靠性，拖车电路通常采用单独的保险丝和电源馈电线路来重复汽车线路。在这个设计中，所有的灯通常都是由位于一个位于中央的保险丝块中的单个保险丝来保护的。

　　然而，在一个分散的体系结构中，PolySwitch设备可以位于lamp组件、连接器或splice块中，有效地消除了三个保险丝、一个继电器、三个长长度的电线和相关的连接器。该方法还可以简化制动、转弯、危险模块和开关的设计。图5a和5b将传统的集中设计与分散的保护技术进行比较，在每个对应的节点节点上使用单独的多开关设备来保护每一个光路。

　　传统集中保护方案示意图。

　　图5a:传统的集中保护方案方法。

　　采用多开关PPTC器件的cecentralized保护方案示意图。

　　图5b:采用PolySwitch PPTC器件的分散式保护方案。

　　通过使用分散式结构，在短路或过载的情况下，车辆的布线由多开关装置保护。当拖车与电源断开后，PolySwitch设备将自动复位。与传统的电路保护方法不同，这种设计也消除了操作员在瞬时过载情况下定位或更换熔断器的需要。

　　此外，用于将每个光连接到连接节点的导线只需要携带由光所产生的电流，即使普通的馈电导线和它的保险丝必须携带由所有光所绘制的总电流。最重要的是，如果任何拖车的照明电路经历了一个过电流故障，这一电路就会受到影响，其他的灯将继续正常运行。

　　减少LED中心高挂灯电路的线尺寸。

　　低功耗和设计灵活性由发光二极管或发光二极管提供，使其在任何照明电路中越来越受欢迎，包括中心高挂的停止灯(CHMSL)。在这个应用中，使用led代替白炽灯，可以使小尺寸的、低电流的线路能够很容易地在车顶内衬和连接到铰链的不灵活的连接处被轻易的连接起来，如图6所示。

　　使用PolySwitch设备和一个分散的架构来保护LED CHMSL照明应用提供了更多的设计灵活性，减少了电线的数量和重量，提高了可靠性，与使用集中的方法和保险丝相比。

　　LED CHMSL应用中分布的线束保护示意图。

　　图6:在LED CHMSL应用程序中分布的线束保护。

　　结论

　　采用分散式结构，结合PPTC过流保护，可以显著降低汽车设计的重量。虽然分散式的方法已经被理解了很多年，但是最近的可用的更细的电线可以携带更高的电流，以及新的行业激励，使得这种方法明显优于传统的融合技术。使用TE电路保护的PolySwitch PPTC器件在一个分散的线束保护方案中提供了许多重要的设计效益。由于其可重新设置的功能，低阻特性，以及广泛的当前等级，多开关设备可以帮助汽车设计者减少电线的长度和重量，同时促进设计的灵活性和系统的可靠性。

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