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，設計工程師正在尋求有助于降低線束重量的新技術和設計技術。為了在當今市場中保持競爭力，制造商還必須降低保修維修成本并提高用戶滿意度。因此，汽車設計人員面臨著在不犧牲系統可靠性的情況下尋找降低車輛重量的新方法的挑戰。

這些行業趨勢正在引領設計人員重新審視其保護汽車動力功能免受高壓損壞的方法 - 當前故障情況。盡管采用分散式線束技術和PPTC（聚合物正溫度系數）器件進行過電流保護具有明顯的重量優勢，但許多設備繼續使用傳統的，最終更重的熔斷技術。

本文介紹了顯著的優點與使用具有保險絲保護的傳統集中式架構相比，采用分散式架構和TE Circuit Protection的PolySwitch器件來幫助保護汽車線束。它還描述了PolySwitch器件的獨特器件特性，并提供了在分散架構中使用這些器件如何促進更輕，更靈活和更可靠的設計開發的具體應用示例。

趨勢線束保護

盡管從20世紀90年代開始采用分散式利用PPTC設備進行線束保護的方法，但OEM的采用速度卻很慢。事實上，隨著電氣和電子內容不斷增加功能，當今汽車中的許多線纜系統變得比以往更大，更重，更復雜。

除了對改變傳統設計方法的抵制外，使用PPTC設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，機械強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電路（例如，<8 A）。

今天，新興的線材技術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保護的分布式架構一起使用時，這一進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和TE Circuit Protection的PolySwitch設備的一項研究顯示估計僅銅線重量可節省50％。此外，通過采用分散式架構并用可復位的PolySwitch器件替換保險絲，系統可靠性和設計靈活性得到顯著改善。

汽車線束保護

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

設計人員面臨的挑戰是增加電路保護裝置，以幫助防止電氣系統中的潛在過載情況，同時同時降低總成本和重量。由于典型的車輛可能包含數百個電路和超過一公里的電線，因此布線系統的復雜性會使傳統的電路設計技術難以使用，并可能導致不必要的過度設計。

傳統方法：集中式架構和保險絲

保護汽車布線系統的傳統解決方案是使用集中式和分布式多負載熔斷器，如圖1a所示。在這種集中式或“星形”架構中，每個功能都需要單獨的線路。如果單根導線支持多種功能，則導線及其保險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。

由于電氣中心散發出如此多的電路，幾乎不可能將所有電線布線進出單個接線盒并將盒子放入司機可以到達的位置。因此，系統設計人員采用線束設計解決方案，否定了一些期望的最終效益，例如：

通過在一個電路中組合負載來犧牲線徑優化和故障隔離。/li>

將電氣中心放置在只有經過培訓的服務人員才能進入的地方，成本會增加;和

在各種功能系統之間來回切換，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，傳統的門模塊可以具有用于窗戶，鎖，LED和鏡子功能的單獨的電源;每個都可能受到接線盒中單獨保險絲的保護。

車輛布線架構的傳統集中式方法依賴于有限數量的大型保險絲來保護多個電路免受高電流損壞故障情況。雖然保險絲相對便宜，但作為一次性裝置，它們在吹氣時必須更換。這一特性意味著保險絲安裝在可觸及的保險絲盒中 - 這一要求決定了系統架構并迫使封裝和系統布局妥協。保險絲在相同外形尺寸下的額定電流額定值為2 A至30 A，通常替代大于設計值的保險絲，或者在非定域模塊中使用時跳出電路。

替代方法：使用PolySwitch器件的分散式架構

優化的線束方案具有分層的樹狀結構，主電源“中繼線”分成較小的“分支”，每個節點都有過流保護。這種架構允許使用更小，節省空間的電線，可以減輕重量和成本。它還有助于改善系統保護并提供故障隔離，從而最終提高可靠性。圖1b顯示了一個分散式架構，其中幾個接線盒（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線每個都可以通過可復位的電路保護裝置進行保護。

圖1b：典型的分散式架構。

圖2顯示了部分分布式架構的大大簡化版本，每個接線盒直接饋入模塊或另一個提供外圍負載的節點模塊。

圖2：部分分布式汽車線束架構的詳細信息。

使用PolySwitch過流保護器件可實現電氣系統架構的分散式方法。鑒于汽車級設備的可用性和繼電器現在可以預期的可靠性，模塊可以切換和保護自己的輸出負載，并且可以位于難以接近的區域。

因為PolySwitch設備的使用避免了需要通過用戶可訪問的中央保險絲盒來配置電力，可以通過電源和負載之間的最直接路徑來供電。這轉換為較短長度的較輕規格的導線，并且導致顯著的尺寸，重量和成本節省，以及減少每個車輛中使用的端子，觸點，開關和電子驅動電路的數量。此外，分散式架構可以減少連接器和接線盒所需的數量和尺寸。例如，通過在門模塊中安裝PolySwitch器件，可以使用單個電源，節省電線并降低接線盒的成本和尺寸。

表1說明了可以節省的重量與傳統的融合技術相比，通過使用分散式架構和PolySwitch器件實現了這一點。 （請注意，本例中使用的最小導線尺寸為0.35 mm 2 ，但如前所述，某些應用可能可以使用更小的規格。）

使用可復位電路保護不需要驅動程序可訪問的設備為設計人員提供了許多可以單獨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接線盒。與保險絲不同，保險絲必須位于接線盒的頂部才能接近，PPTC設備可以嵌入盒子內部或位于另一個面上，這可以減少正面面積要求，如圖3所示。

圖3：傳統接線盒設計（左）和縮小尺寸接線盒設計（右）的比較。

此外，通過將保護裝置放置得更靠近連接器，跡線長度可以是減小，整個接線盒可以縮小尺寸。或者，接線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器件可幫助設計人員實現更能反映優化樹結構及其附帶優勢的電氣架構。

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。通孔和表面貼裝器件可以安裝在使用印刷電路板的保險絲盒或模塊中。帶式設備也可用于金屬音品盒。

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

應用常規集中式熔斷器采用PolySwitch PPTC器件的分散式電路保護線重量長度（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：使用傳統熔合與分散式線束結構的線重比較。基于銅密度8.96 x 10-6 kg/mm 3 的線重計算。

增強可靠性

除了重量和成本節省外，電路保護裝置的可靠性是決定如何保護車輛電氣系統的關鍵因素。 PPTC器件比熔斷器具有明顯的優勢，因為它們能夠承受汽車環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等條件 - 無需器件熔斷或降級。

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

該器件在正常工作條件下具有低電阻特性，但當電流過大時，其溫度結晶聚合物變為非晶態。

如圖4所示，這種轉變導致聚合物膨脹，破壞導電聚合物內部的導電通路。在故障事件期間，器件電阻通常增加三個或更多個數量級。這種增加的電阻有助于通過將在故障狀態下可以流動的電流量減少到低的穩態水平來保護電路中的設備。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為止;此時導電復合材料冷卻并重新結晶，使PolySwitch器件恢復到電路中的低電阻狀態，并使受影響的設備恢復正常工作狀態。

圖4：PolySwitch器件通過從低電阻狀態變為高電阻狀態來幫助保護電路過流或過溫條件。

技術比較

由于保險絲是一次性設備且熱質量較低，因此在某些應用中，保險絲必須“過大”或指定為升高電流額定值以防止“滋擾”。相比之下，PPTC器件的熱質量和跳閘溫度允許更緊密地匹配設備的損壞電流，從而減少較低電流故障事件中的激活時間。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設備上的某些電氣元件相關的浪涌電流引起的。例如，間歇操作馬達通常設計成在有限的時間內操作。通常，操作這些產品的時間超過設計的最大限制通常會導致失速，過熱以及最終導致失效。由于接觸故障或客戶誤用，電源接通時會出現故障情況。為了防止過熱，所使用的電路保護裝置必須快速“跳閘” - 但不要超過預期 - 以避免給用戶造成麻煩。

使用PPTC設備的主要優點是它可以規定跳閘電流大大低于電機的正常工作電流，但跳閘時間比整個系統工作周期長幾倍，從而防止誤跳閘。

保險絲當暴露于超過系統工作電流的故障條件時，可能達到不希望的溫度，但不足以引起及時激活。相比之下，PPTC器件相對較快地啟動并且溫度穩定，因此故障電流對其表面溫度幾乎沒有影響。

平均故障時間（MTTF）是選擇電路保護裝置的另一個重要考慮因素。 。 MTTF的計算方法與MTBF（平均故障間隔時間）相同。不同之處在于MTBF是指可修復系統，以及一次修復和下一次修復之間的時間。 MTTF是無法修復時使用的術語，例如在單個組件上使用。

表2比較了PolySwitch器件與其他電路保護器件的MTTF，Bellcore TR332是一個電信行業標準。可靠性預測。

電路保護器件MTTF PolySwitch器件29 x 10 13 小時保險絲<30 A 200 x 10 6 小時保險絲> 30 A 100 x 10 6 小時斷路器循環588 x 10 3 小時斷路器非循環539 x 10 6 小時晶體管> 6W 100 x 10 6 小時

表2：電信應用中使用的電路保護裝置的MTTF比較。

行業標準在車輛電氣/電子系統的設計中也發揮著重要作用。 AEC-Q200是無源元件的壓力測試認證，包括汽車環境中使用的PPTC器件的測試要求。測試計劃包括一系列電氣和環境壓力測試，需要在每次壓力之前和之后進行電氣驗證。電氣驗證測試旨在檢查部件是否符合電阻，跳閘時間（TtT）的性能規格，并在三個不同溫度（-40°C，25°C和最大T）保持電流。

TE電路保護的PolySwitch器件具有汽車環境所需的強大特性，并經過嚴格的測試程序，可在合格壓力測試之前和之后定義性能限制。用于汽車級設備認證的TE電路保護PS400規范包含AEC-Q200標準，并包含各種ANSI，ISO，JEDEC，UL和軍用標準中規定的相關物理，功能，環境，電氣和機械要求。

應用PolySwitch器件和分散式架構

電力分配的分散為電氣和電子系統架構的創新提供了許多機會。以下是可復位電路保護如何在轉換中發揮作用的若干示例。

縮小直流電機和執行器的導線，端子，連接器和開關

由于潛在的高電位失速電流，典型集中配置的電動機電路通常由大型斷路器或保險絲保護。在這種設計中，需要大規格的導線，因此需要更大的接口銷和連接器。結果是需要更大的界面封裝區域，導致空間和重量問題。此外，由于后門窗和鎖具以及后甲板電源天線的電機不在其控制開關附近，因此電機的供電可能很長很重。

相比之下，分散式架構允許設計人員通過將PPTC設備安裝在控制電機的開關，繼電器或電子驅動電路上來策略性地定位PPTC設備。 PPTC設備還限制通過供電電路到受保護電機的流量。這允許供電線顯著地減小尺寸。例如，電動車窗電路通常由上游斷路器保護的3.0mm 2 線供電。通過將PPTC器件集成到電機控制開關中，可以將電源線減小到0.8 mm 2 ，因為電壓降會決定。

縮小電線，反過來允許使用較小的端子，接口連接器和開關。另外，微控制電路可以在驅動電路中使用成本更低，功率更低，不受保護的晶體管。這導致導線組件及其相關硬件的顯著成本節省。使用小規格的導線減小了接線組件束的尺寸并增加了導線的靈活性。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勢的相關性。

減少氣囊安全電路中的饋電線長度

車輛安全氣囊是對安全電路接線組件提出嚴格要求的完美示例。這些包括扭曲的信號線，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方法中，安全氣囊裝置中的供電是從點火裝置引出的切換到保險絲盒，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裝置定位在轉向柱的底部。這使得供電能夠直接從點火開關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，以及短路由于進水導致的過載會使拖車牽引回路成為高風險應用。為了提高可靠性，拖車牽引電路通常使用單獨的保險絲和供電電路復制車輛接線。在這種設計中，所有燈通常都由位于中心位置的保險絲盒中的單個保險絲保護。

然而，在分散式架構中，PolySwitch器件可以位于燈組件，連接器或接頭中阻止，有效地消除了三個保險絲，一個繼電器，三根長長的電線和相關的連接器。這種方法還可以簡化制動，轉向和危險模塊和開關的設計。圖5a和5b將傳統的集中式設計與分散式保護技術進行了比較，其中在每個相應的節點處使用單獨的PolySwitch器件來幫助保護每個光電路。

圖5a：傳統的集中保護方案方法。

圖5b：使用PolySwitch PPTC設備的分散保護方案方法。

通過使用分散式架構，在短路或過載的情況下，車輛的接線受PolySwitch設備保護。拖車與電源斷開后，PolySwitch設備將自動復位。與傳統的電路保護方法不同，該設計還消除了操作員在瞬態過載情況下定位或更換熔斷保險絲的需要。

此外，用于將每個燈連接到接合節點的導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，則該電路單獨受影響，其他燈將繼續正常工作。

減小LED中心 - 高位剎車燈電路的導線尺寸

發光二極管或LED提供的低功耗和設計靈活性使它們在任何照明電路中越來越受歡迎，包括中心高位剎車燈（CHMSL）。在此應用中使用LED代替白熾燈可以實現小規格，低電流布線的優勢，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器件和分散式架構來保護LED CHMSL照明應用提供了更高的設計靈活性，與使用集中式方法和保險絲相比，減少了電線的數量和重量，提高了可靠性。

圖6：LED CHMSL應用中的分布式線束保護。

結論

采用分散式架構結合PPTC過流保護可顯著減輕重量在汽車設計中。雖然多年來已經了解了分散式方法，但最近可以提供更高電流的更薄電線以及新的行業激勵措施，使得這種方法明顯優于傳統的熔斷技術。使用TE Circuit Protection的PolySwitch PPTC器件采用分散式線束保護方案，可提供許多重要的設計優勢。 PolySwitch器件具有可復位功能，低電阻特性和各種額定電流，可幫助汽車設計人員減少導線長度和重量，同時提高設計靈活性和系統可靠性。