采用分散式线束技术和PPTC器件对汽车线束进行保护

简介

今天的汽车制造商正积极致力于减轻车辆重量，以帮助降低二氧化碳排放水平并提高燃油效率。因此，设计工程师正在寻求有助于降低线束重量的新技术和设计技术。为了在当今市场中保持竞争力，制造商还必须降低保修维修成本并提高用户满意度。因此，汽车设计人员面临着在不牺牲系统可靠性的情况下寻找降低车辆重量的新方法的挑战。

这些行业趋势正在引领设计人员重新审视其保护汽车动力功能免受高压损坏的方法 - 当前故障情况。尽管采用分散式线束技术和PPTC（聚合物正温度系数）器件进行过电流保护具有明显的重量优势，但许多设备继续使用传统的，最终更重的熔断技术。

本文介绍了显着的优点与使用具有保险丝保护的传统集中式架构相比，采用分散式架构和TE Circuit Protection的PolySwitch器件来帮助保护汽车线束。它还描述了PolySwitch器件的独特器件特性，并提供了在分散架构中使用这些器件如何促进更轻，更灵活和更可靠的设计开发的具体应用示例。

趋势线束保护

尽管从20世纪90年代开始采用分散式利用PPTC设备进行线束保护的方法，但OEM的采用速度却很慢。事实上，随着电气和电子内容不断增加功能，当今汽车中的许多线缆系统变得比以往更大，更重，更复杂。

除了对改变传统设计方法的抵制外，使用PPTC设备的好处可能受到历史上用于车辆的较粗线的阻碍。在过去，机械强度决定了车辆中使用的最小线材为0.35 mm 2 （22 AWG），这可能带来8-10 A的电流。这种限制取消了使用的一些好处PPTC器件用于低电流信号电路（例如，<8 A）。

今天，新兴的线材技术正在使更小直径的电线具有更大的载流能力，包括小至0.13 mm的电线 2 （26 AWG），最大5A能力。与PPTC保护的分布式架构一起使用时，这一进步带来了额外的重量减轻。

在中高端乘用车上采用分散式架构和TE Circuit Protection的PolySwitch设备的一项研究显示估计仅铜线重量可节省50％。此外，通过采用分散式架构并用可复位的PolySwitch器件替换保险丝，系统可靠性和设计灵活性得到显着改善。

汽车线束保护

在汽车中，电流通过分布在整个车辆中的几个主要和次要电线组件流到各种电气负载。对于12 V电池系统，电路通常在14 V的系统电压下承载0.10 A至30 A的电流（对于大多数卡车和公共汽车中的24 V电池系统，电压为28 V）。必须保护线束免受灾难性热事件（例如短路）造成的损坏。

设计人员面临的挑战是增加电路保护装置，以帮助防止电气系统中的潜在过载情况，同时同时降低总成本和重量。由于典型的车辆可能包含数百个电路和超过一公里的电线，因此布线系统的复杂性会使传统的电路设计技术难以使用，并可能导致不必要的过度设计。

传统方法：集中式架构和保险丝

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熔断器，如图1a所示。在这种集中式或“星形”架构中，每个功能都需要单独的线路。如果单根导线支持多种功能，则导线及其保险丝也必须支持这些功能的电流总和。

图1a：典型的集中式架构。

由于电气中心散发出如此多的电路，几乎不可能将所有电线布线进出单个接线盒并将盒子放入司机可以到达的位置。因此，系统设计人员采用线束设计解决方案，否定了一些期望的最终效益，例如：

通过在一个电路中组合负载来牺牲线径优化和故障隔离。/li>

将电气中心放置在只有经过培训的服务人员才能进入的地方，成本会增加;和

在各种功能系统之间来回切换，增加了布线长度，尺寸和成本。例如，由于熔丝可接近性的必要性，传统的门模块可以具有用于窗户，锁，LED和镜子功能的单独的电源;每个都可能受到接线盒中单独保险丝的保护。

车辆布线架构的传统集中式方法依赖于有限数量的大型保险丝来保护多个电路免受高电流损坏故障情况。虽然保险丝相对便宜，但作为一次性装置，它们在吹气时必须更换。这一特性意味着保险丝安装在可触及的保险丝盒中 - 这一要求决定了系统架构并迫使封装和系统布局妥协。保险丝在相同外形尺寸下的额定电流额定值为2 A至30 A，通常替代大于设计值的保险丝，或者在非定域模块中使用时跳出电路。

替代方法：使用PolySwitch器件的分散式架构

优化的线束方案具有分层的树状结构，主电源“中继线”分成较小的“分支”，每个节点都有过流保护。这种架构允许使用更小，节省空间的电线，可以减轻重量和成本。它还有助于改善系统保护并提供故障隔离，从而最终提高可靠性。图1b显示了一个分散式架构，其中几个接线盒（以黄色显示）由电源总线提供。离开接线盒为不同功能供电的导线每个都可以通过可复位的电路保护装置进行保护。

图1b：典型的分散式架构。

图2显示了部分分布式架构的大大简化版本，每个接线盒直接馈入模块或另一个提供外围负载的节点模块。

图2：部分分布式汽车线束架构的详细信息。

使用PolySwitch过流保护器件可实现电气系统架构的分散式方法。鉴于汽车级设备的可用性和继电器现在可以预期的可靠性，模块可以切换和保护自己的输出负载，并且可以位于难以接近的区域。

因为PolySwitch设备的使用避免了需要通过用户可访问的中央保险丝盒来配置电力，可以通过电源和负载之间的最直接路径来供电。这转换为较短长度的较轻规格的导线，并且导致显着的尺寸，重量和成本节省，以及减少每个车辆中使用的端子，触点，开关和电子驱动电路的数量。此外，分散式架构可以减少连接器和接线盒所需的数量和尺寸。例如，通过在门模块中安装PolySwitch器件，可以使用单个电源，节省电线并降低接线盒的成本和尺寸。

表1说明了可以节省的重量与传统的融合技术相比，通过使用分散式架构和PolySwitch器件实现了这一点。 （请注意，本例中使用的最小导线尺寸为0.35 mm 2 ，但如前所述，某些应用可能可以使用更小的规格。）

使用可复位电路保护不需要驱动程序可访问的设备为设计人员提供了许多可以单独使用或组合使用的解决方案。仍然可以使用位于仪表板中的单个接线盒。与保险丝不同，保险丝必须位于接线盒的顶部才能接近，PPTC设备可以嵌入盒子内部或位于另一个面上，这可以减少正面面积要求，如图3所示。

图3：传统接线盒设计（左）和缩小尺寸接线盒设计（右）的比较。

此外，通过将保护装置放置得更靠近连接器，迹线长度可以是减小，整个接线盒可以缩小尺寸。或者，接线盒可以分成较小的单元并重新定位在车辆周围而不考虑用户可接近性。在这些情况下，PolySwitch器件可帮助设计人员实现更能反映优化树结构及其附带优势的电气架构。

PolySwitch器件具有多种外形尺寸，便于各种接口接线盒或电子模块的选项。通孔和表面贴装器件可以安装在使用印刷电路板的保险丝盒或模块中。带式设备也可用于金属音品盒。

新一代PolySwitch带状设备也可插入接线盒中的带叶片的保险丝或双金属断路器。即使这些器件是可复位的并且不需要用户可访问，但刀片外形允许设计人员更换保险丝或双金属器件，而无需等待接线盒的下一次重新设计。

应用常规集中式熔断器采用PolySwitch PPTC器件的分散式电路保护线重量长度（mm）截面（mm 2 ）重量（kg）长度（mm）截面（mm 2 ）重量（ kg）（kg）（％）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，
停车灯/尾灯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％气囊5000 3 500 3 0.0134 3800 0.0119 400 0.35 0.0013 0.1463 0.0147 -0.132 -90％

表1：使用传统熔合与分散式线束结构的线重比较。基于铜密度8.96 x 10-6 kg/mm 3 的线重计算。

增强可靠性

除了重量和成本节省外，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器件比熔断器具有明显的优势，因为它们能够承受汽车环境中的多种过流事件 - 包括焊丝绝缘和连接器中的端子松动等条件 - 无需器件熔断或降级。

PolySwitch器件由导电填料（如炭黑）制成，可在整个器件中提供导电链。

该器件在正常工作条件下具有低电阻特性，但当电流过大时，其温度结晶聚合物变为非晶态。

如图4所示，这种转变导致聚合物膨胀，破坏导电聚合物内部的导电通路。在故障事件期间，器件电阻通常增加三个或更多个数量级。这种增加的电阻有助于通过将在故障状态下可以流动的电流量减少到低的稳态水平来保护电路中的设备。器件保持在锁定（高阻）位置，直到故障被清除并且电路的电源循环为止;此时导电复合材料冷却并重新结晶，使PolySwitch器件恢复到电路中的低电阻状态，并使受影响的设备恢复正常工作状态。

图4：PolySwitch器件通过从低电阻状态变为高电阻状态来帮助保护电路过流或过温条件。

技术比较

由于保险丝是一次性设备且热质量较低，因此在某些应用中，保险丝必须“过大”或指定为升高电流额定值以防止“滋扰”。相比之下，PPTC器件的热质量和跳闸温度允许更紧密地匹配设备的损坏电流，从而减少较低电流故障事件中的激活时间。在某些配置中，PPTC器件在给定的故障电流下比熔断器更快地激活。

扰乱通常是由与电动设备上的某些电气元件相关的浪涌电流引起的。例如，间歇操作马达通常设计成在有限的时间内操作。通常，操作这些产品的时间超过设计的最大限制通常会导致失速，过热以及最终导致失效。由于接触故障或客户误用，电源接通时会出现故障情况。为了防止过热，所使用的电路保护装置必须快速“跳闸” - 但不要超过预期 - 以避免给用户造成麻烦。

使用PPTC设备的主要优点是它可以规定跳闸电流大大低于电机的正常工作电流，但跳闸时间比整个系统工作周期长几倍，从而防止误跳闸。

保险丝当暴露于超过系统工作电流的故障条件时，可能达到不希望的温度，但不足以引起及时激活。相比之下，PPTC器件相对较快地启动并且温度稳定，因此故障电流对其表面温度几乎没有影响。

平均故障时间（MTTF）是选择电路保护装置的另一个重要考虑因素。 。 MTTF的计算方法与MTBF（平均故障间隔时间）相同。不同之处在于MTBF是指可修复系统，以及一次修复和下一次修复之间的时间。 MTTF是无法修复时使用的术语，例如在单个组件上使用。

表2比较了PolySwitch器件与其他电路保护器件的MTTF，Bellcore TR332是一个电信行业标准。可靠性预测。

电路保护器件MTTF PolySwitch器件29 x 10 13 小时保险丝<30 A 200 x 10 6 小时保险丝> 30 A 100 x 10 6 小时断路器循环588 x 10 3 小时断路器非循环539 x 10 6 小时晶体管> 6W 100 x 10 6 小时

表2：电信应用中使用的电路保护装置的MTTF比较。

行业标准在车辆电气/电子系统的设计中也发挥着重要作用。 AEC-Q200是无源元件的压力测试认证，包括汽车环境中使用的PPTC器件的测试要求。测试计划包括一系列电气和环境压力测试，需要在每次压力之前和之后进行电气验证。电气验证测试旨在检查部件是否符合电阻，跳闸时间（TtT）的性能规格，并在三个不同温度（-40°C，25°C和最大T）保持电流。

TE电路保护的PolySwitch器件具有汽车环境所需的强大特性，并经过严格的测试程序，可在合格压力测试之前和之后定义性能限制。用于汽车级设备认证的TE电路保护PS400规范包含AEC-Q200标准，并包含各种ANSI，ISO，JEDEC，UL和军用标准中规定的相关物理，功能，环境，电气和机械要求。

应用PolySwitch器件和分散式架构

电力分配的分散为电气和电子系统架构的创新提供了许多机会。以下是可复位电路保护如何在转换中发挥作用的若干示例。

缩小直流电机和执行器的导线，端子，连接器和开关

由于潜在的高电位失速电流，典型集中配置的电动机电路通常由大型断路器或保险丝保护。在这种设计中，需要大规格的导线，因此需要更大的接口销和连接器。结果是需要更大的界面封装区域，导致空间和重量问题。此外，由于后门窗和锁具以及后甲板电源天线的电机不在其控制开关附近，因此电机的供电可能很长很重。

相比之下，分散式架构允许设计人员通过将PPTC设备安装在控制电机的开关，继电器或电子驱动电路上来策略性地定位PPTC设备。 PPTC设备还限制通过供电电路到受保护电机的流量。这允许供电线显着地减小尺寸。例如，电动车窗电路通常由上游断路器保护的3.0mm 2 线供电。通过将PPTC器件集成到电机控制开关中，可以将电源线减小到0.8 mm 2 ，因为电压降会决定。

缩小电线，反过来允许使用较小的端子，接口连接器和开关。另外，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。这导致导线组件及其相关硬件的显着成本节省。使用小规格的导线减小了接线组件束的尺寸并增加了导线的灵活性。这改善了接线组件的连衣裙。它还减少了将电线安装在车辆中所需的力，从而降低了安装过程中损坏的可能性。以下示例说明了此优势的相关性。

减少气囊安全电路中的馈电线长度

车辆安全气囊是对安全电路接线组件提出严格要求的完美示例。这些包括扭曲的信号线，特殊的电路连接，连接器接口处的短路棒和冗余电源。

在典型的集中式线束保护方法中，安全气囊装置中的供电是从点火装置引出的切换到保险丝盒，然后切换到仪表板中央的气囊控制模块。或者，分散式方法允许策略性地将PPTC装置定位在转向柱的底部。这使得供电能够直接从点火开关传送到气囊控制模块。这种方法可以消除超过一米的馈电线。

减少拖车牵引灯电路的线重量

粗略使用和不一致的维护，以及短路由于进水导致的过载会使拖车牵引回路成为高风险应用。为了提高可靠性，拖车牵引电路通常使用单独的保险丝和供电电路复制车辆接线。在这种设计中，所有灯通常都由位于中心位置的保险丝盒中的单个保险丝保护。

然而，在分散式架构中，PolySwitch器件可以位于灯组件，连接器或接头中阻止，有效地消除了三个保险丝，一个继电器，三根长长的电线和相关的连接器。这种方法还可以简化制动，转向和危险模块和开关的设计。图5a和5b将传统的集中式设计与分散式保护技术进行了比较，其中在每个相应的节点处使用单独的PolySwitch器件来帮助保护每个光电路。

图5a：传统的集中保护方案方法。

图5b：使用PolySwitch PPTC设备的分散保护方案方法。

通过使用分散式架构，在短路或过载的情况下，车辆的接线受PolySwitch设备保护。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，该设计还消除了操作员在瞬态过载情况下定位或更换熔断保险丝的需要。

此外，用于将每个灯连接到接合节点的导线只需承载由其供电的光所吸收的电流 - 即使公共馈线及其保险丝必须承载所有灯吸收的总电流。最重要的是，如果任何拖车牵引灯电路遇到过流故障，则该电路单独受影响，其他灯将继续正常工作。

减小LED中心 - 高位刹车灯电路的导线尺寸

发光二极管或LED提供的低功耗和设计灵活性使它们在任何照明电路中越来越受欢迎，包括中心高位刹车灯（CHMSL）。在此应用中使用LED代替白炽灯可以实现小规格，低电流布线的优势，可以轻松布线到车辆的车顶衬里和靠近铰链的不灵活连接，如图6所示。

采用PolySwitch器件和分散式架构来保护LED CHMSL照明应用提供了更高的设计灵活性，与使用集中式方法和保险丝相比，减少了电线的数量和重量，提高了可靠性。

图6：LED CHMSL应用中的分布式线束保护。

结论

采用分散式架构结合PPTC过流保护可显着减轻重量在汽车设计中。虽然多年来已经了解了分散式方法，但最近可以提供更高电流的更薄电线以及新的行业激励措施，使得这种方法明显优于传统的熔断技术。使用TE Circuit Protection的PolySwitch PPTC器件采用分散式线束保护方案，可提供许多重要的设计优势。 PolySwitch器件具有可复位功能，低电阻特性和各种额定电流，可帮助汽车设计人员减少导线长度和重量，同时提高设计灵活性和系统可靠性。