在過去的十年中，汽車電子安全性和可靠性標準隨著新技術的發展發生了顯著的變化。過去常常被當作可選項銷售的技術，包括電動門鎖、穩定控制和防抱死制動，現在卻是大多數車輛的標準配置。如今，那些被用于車道偏離警告、車載通信和夜視的汽車電子被認為是創新的技術。
設計和制造上的這種現代化轉變要求設計人員應完全了解超出消費性電子產品保護要求的汽車認證標準的要求。然而，按照汽車標準的設計涉及多項技術挑戰。例如，最前沿汽車電子產品中所使用的半導體依賴于市場上最新的集成電路（IC）技術。由于這些集成電路不斷變得更小而且更快，也因此更加容易受到靜電放電（ESD）的損害。此外，汽車環境的嚴酷性是以惡劣的電氣瞬變為標志的，在汽車認證測試中也會對此進行模擬（圖1）。
圖 1：需要考慮 ESD 防護的系統。
本文探討了汽車標準、電路和解決方案的實際應用，以幫助汽車電路設計人員創造出穩健可靠的設計。首先，本文重點介紹了 ISO 10605 標準對 ESD 的測試要求與 AEC-Q101 標準對汽車市場中所用的分立半導體器件的測試要求。其次，討論了汽車中需要保護的最常見的電路類型。第三，針對多種汽車應用確定了為確保安全性和可靠性應該在設計階段早期予以實施的先進的電路保護技術。
符合汽車測試標準
電路設計人員必須在他們先進的汽車電子設計中考慮 ISO 10605 和 AEC-Q101 測試標準的要求，達到汽車市場要求的合格品質。這些標準重點關注汽車中普遍存在的電氣和環境危害，以及所使用的分立半導體的可靠性。
ISO 10605
本標準規定了用以評估為車輛而開發的電子模塊的 ESD 測試方法。這些模塊必須能夠管理由組裝、保養/維修以及操作所造成的電氣干擾。ISO 10605 增加了車輛專用的測試要求，相對于 IEC 61000-4-2 這一消費電子和電信的應用級規范來說更進一步。該標準要求制造商在比 IEC 標準更高的水平上去測試這些電子模塊，為汽車電路保護提供更為強大和可靠的標準。
對于 ISO 10605 標準的合規性，每個電路和模塊在被安裝到車輛中之前必須進行預先測試。一旦車輛組裝完畢，還必須再進行測試以確保安全性和可靠性。因此，汽車內部電子產品的每一層都需要先進的電路保護以抵御汽車中常見的嚴酷的 ESD 瞬變。
AEC-Q101
本標準描述了確保汽車環境中基于半導體的組件的長期可靠性一系列認證實驗。對于在車輛中增加 ESD 保護器件（如瞬態電壓抑制（TVS）二極管和 TVS 二極管陣列）的汽車制造商來說，這些器件必須要漸漸的接收符合 AEC-Q101 標準。
ISO 10605 側重的是電氣危險，而 AEC-Q101 則是一項環保規范。符合 AEC-Q101 標準的元件必須能夠應對汽車環境的危害，包括熱沖擊和熱循環、極端溫度和高濕度。滿足該標準的要求能夠確保元件被安裝在車輛中之后不會因其自身固有的弱點而出現故障。
確定需要保護的汽車電路
汽車內部的所有電路和元件均易受到電氣瞬變的侵害，無論其在車輛中所處的位置。下表列出了需要保護的五個最為常見的汽車電路：
1.傳統通信總線：作為最流行的通信總線標準，傳統通信總線覆蓋了車內電路的 50% 到 75%。
a.區域網絡控制器（CAN）：該標準允許微控制器和設備能夠在車內進行通信，而無需使用主機。它是專為汽車應用而設計的基于消息的協議。CAN 系統可處理多種功能，從動力轉向到發動機計算機和變速箱之間的關鍵傳動系統通信。
b.局域互聯網絡（LIN）：LIN總線標準是用于車輛各組件之間通信的串行網絡協議。LIN 總線也可通過特殊的DC-LIN收發器在車輛的蓄電池電力線上使用，這也是當今汽車界所常見的做法。LIN 系統能夠處理簡單的機電功能，如移動電動座椅和切換巡航控制。
CAN/LIN 總線是設計用于車內控制和監控功能的雙線通信總線。它們的線路有很大的可能性會暴露于瞬態浪涌，從而會導致未受保護的 CAN/LIN 收發器出現故障。圖2說明了 CAN 和 LIN 總線保護的實踐策略，力特公司 SM24CANA TVS 二極管陣列可保護 CAN 總線并提供市場領先的鉗位保護（圖3）。
圖 2：CAN 和 LIN 總線保護原理圖。
圖 3：力特公司 SM24CANA TVS 二極管陣列可保護 CAN 總線并提供市場領先的鉗位保護。
2.高速數字總線：USB/HDMI 端口支持車內的消費者應用軟件。例如，儀表板可能會設有一個 USB 端口，乘客可用它來為手機或平板電腦充電，或者在車內播放音樂。HDMI 端口被用于車輛中的備份和前視攝像頭。不同于舊的攝像頭技術，這些高清機型采用更高圖像速率，運行時需要更高的數據速率。由于具有更快的吞吐率和更大的芯片靈敏度，這些端口要求有出色的信號完整性和系統可靠性。USB/HDMI 端口可能會因車內相對較小的 ESD 事件和短路而損壞。
3.Wi-Fi 通信/SIM 插槽：這項技術使車輛能夠為乘客提供移動 3G 或 LTE 通信。SIM 卡模塊是將 LTE 轉換為 Wi-Fi 的電路的中間部分，使用戶能夠連接到手機、平板電腦和筆記本電腦。SIM 卡插槽需要 ESD 保護是因為在車內安裝或更換模塊時它會受到人機交互的影響。
4.通信/廣播接收用的高頻天線：這項技術的支撐是短程射頻電路。這種電路能夠實現車輛對車輛或車輛與道路的通信，這也是汽車市場中最熱的發展趨勢之一。這種網絡可以使汽車互相“看到”對方，并能在車輛之間進行通信。與道路之間的通信有助于防止碰撞，實現職能交通系統。由于射頻放大器的前端對 ESD 非常敏感，因而應使用雙向、低電容的 ESD 二極管。無偏置的射頻信號會在天線電路上生成正負極性的電壓。雙向二極管將能夠確保信號的負向部分不會被削減。
5.電源總線：這些總線的電壓在 12 伏或更高，從而為車內的電子模塊提供電力。在組裝或車輛運行過程中會使它們暴露于大量的 ESD 和浪涌瞬變之下。瞬變保護選項既有車內深嵌模塊的簡單的 ESD 二極管，也有具有處理負載突降事件的高浪涌耐受的 TVS 二極管。
為汽車應用選擇合適的電路保護解決方案
汽車電路設計人員可能很難找到高質量的電路保護解決方案，因為有能力開發符合 AEC-Q101 標準的產品的公司對整個市場而言鳳毛麟角。在選擇電路保護器件的制造商時，重要的是要去核實公司的資質，以確保它們能夠提供符合 AEC-Q101 標準要求以及其他行業標準的經證實的高可靠性產品。該公司還應沿襲產品設計上的最優方法，并采用高品質的制造工藝。
表1列出了在設計階段初期應予以實施的一些電路保護解決方案。力特公司 TPSMA6L 系列 TVS 二極管在小尺寸封裝中具有出色的電氣表現（圖4）。
表 1：各種汽車應用電路保護解決方案的特點。
圖 4：力特公司 TPSMA6L 系列 TVS 二極管在小尺寸封裝中具有出色的電氣表現。
結論
設計強大的汽車電子要求對大量存在于汽車環境中的環境和電氣隱患的管理進行提前規劃。成功的設計始于對 ISO 10605 及 AEC-Q101 測試標準要求的理解。由于各個模塊以及整車會經歷全面的可靠性測試，在電子設備的每一層均需要適當的保護。電路設計人員還應考慮需要保護的汽車電路的電氣脆弱性，尤其是那些涉及創新的通信和網絡的安全漏洞。在了解汽車測試標準和電路之后，設計人員便能夠為他們的應用選擇最佳的電路解決方案。