자동차 내외부에서 발생되는 다양한 전기 및 전자기 교란은 자동차 전자장치에 위험 요소가 될 수 있다. 이러한 교란은 성능저하, 오작동의 원인이 될 뿐만 아니라 전자장치를 못 쓰게 할 수도 있다. 가장 심각한 교란은 자동차 전자 시스템 자체에서 발생할 수 있는 대형 포지티브(+) 및 네거티브(－) 과전압 및 과도특성이다.
자동차 시스템에서 대부분의 전자 모듈은 자동차 배터리에 의해 직접 또는 점화 스위치를 통해 구동된다. 전기적 교란이나 고주파 영향은 정상 동작 중에도 발생할 수 있으며 전도, 커플링 또는 방사를 통해 와이어 하니스를 거쳐 온보드 전자장치까지 영향을 미칠 수 있다. 교란의 소스에는 점화 시스템, 교류발전기(alternator), 부하 스위칭, 스위치 바운스 및 “로드 덤프” 영향, 즉 동작 중 전원으로부터 분리된 dc 모터에 의해 생성되는 전압 등이 있다.
이들 서지 중 가장 심각한 것은 이른바 “로드 덤프 펄스”라고 하는 교류발전기가 배터리를 충전하는 동안 엔진이 동작하면서 배터리 리드가 분리될 때 발생하는 현상이다. 이러한 과도특성은 수백 밀리 초 동안 지속되면서 100 V가 넘는 레벨에 도달하여 반도체 회로에 치명적 손상을 줄 수 있다.
또 다른 위험은 자동차 전원장치에 연결된 2개의 직렬 12 V 배터리가 점프 스타트 시 인가될 수 있는 “더블 배터리” 전압이다. 특히 저온 환경에서나 배터리가 일부만 충전되어 있을 때 엔진을 크랭크 할 경우 스타터를 동작시키면 전원전압에 짧은 다운(dip)이 발생해 통상적으로 12 V에서 5 V 미만까지 떨어질 수 있다. 이러한 다운은 수십 밀리 초 동안 지속될 수 있으며 전자 시스템의 동작을 일시적으로 멈추게 할 수 있다. 자동차 전자장치가 견뎌야 하는 또 다른 위험은 배터리 역 삽입으로, 이는 배터리 극성을 반대로 연결했을 때 일어난다.
부적절한 전력 레벨로부터 보호

위에서 언급한 과도특성은 부적절한 전압으로부터 보호를 필요로 한다. 분석에 의하면 “로드 덤프 펄스”가 가장 전력량이 높은 유형의 교란임을 보여준다. 현재 이러한 펄스에 의한 피해로부터 전자 모듈을 보호하기 위해 다음과 같은 3가지 보호방법이 사용된다.

▶ 자동차 교류발전기에서 모든 모듈에 대한 전압을 중앙에서 클램프한다(중앙 로드 덤프 억제).
▶ 각각의 전자제어장치(ECU)에 보호 회로를 제공한다.
▶ 상기 방법을 결합한다.

낮은 전력량의 다른 펄스는 일반적으로 보드 레벨에서만 필터링된다. 중앙 로드 덤프 억제는 주로 교류발전기에 내장된 클램핑 회로(다이오드)에 의해 수행된다. 그러나 클램핑을 사용해도 자동차 전압은 여전히 최고 36 V까지 올라갈 수 있다.
중앙 로드 덤프 억제 기능이 없는 자동차 전자 시스템은 교란으로부터 각 부분마다 보호해주는 기능을 제공해야 하는데, 주로 커넥터 단자 바로 위의 ECU에 내장된 보호 회로를 사용한다. 이러한 보호 회로는 자동차 내부에서 여러 곳에 필요하기 때문에 많은 수의 부품을 사용해야하므로, 결과적으로 전체 누설전류와 비용에 영향을 미친다. 온보드 보호는 언제나 다이오드, 제너 다이오드, 배리스터, 댐핑 저항, 커패시터 및 과도특성을 수신할 수 있는 단자에 연결해야 하는 억제 필터와 같은 부품에 의해 제공된다.
ECU 회로를 위험한 전압으로부터 보호해주는 세 번째 방법은 중앙 로드 덤프 억제와 각각의 부분적인 클램핑 회로를 함께 사용하는 것이다. 전통적인 온보드 보호를 보여주는 다양한 샘플 회로를 소개한다.
일반 과전압 억제 소자

다음과 같은 여러 소자들이 보드 레벨에서 과전압을 클램프 할 수 있다.

과도 전압 억제 다이오드
항복 전압 위의 모든 과전압을 억제하는 데 애벌런치 다이오드(제너 다이오드와 매우 유사함)가 클램핑 소자로 사용된다. 특히 이 다이오드의 높은 전력량 흡수 기능은 과전압 스파이크로부터 전자 회로를 보호해준다. 이들 다이오드는 매우 빠른 스위치-온 타임을 제공하지만 스위치-오프 타임은 느리다.  항복 전압 가까이에서 애벌런치 억제 다이오드는 적지 않은 누설전류를 발생시킨다. 종종 이들 소자는 Transil(STMicroelectronics의 등록 상표명), Transzorb(Vishay의 등록 상표명) 또는 간단히 TVS 다이오드라고 한다.

배리스터
배리스터는 전압에 독립적인 저항(Voltage -dependent Resistors, VDR)으로, 일정 전압을 넘어서면 저항이 급격히 감소하는 대칭, 비선형 저항 소자이다. 포지티브 및 네거티브 전압을 클램핑 할 때 배리스터의 특성은 2개의 back-to-back 제너 다이오드와 유사하다. 배리스터는 크기는 작지만 높은 레벨의 전류와 전력량을 처리한다. 그러나 인가되는 전압이 클램핑 전압에 가까워지면 상대적으로 높은 누설전류를 보여주며, 또 인가되는 전류가 증가하면 클램핑 전압도 현저히 증가한다.

보수적 보호 회로

민감한 회로를 보호하는 간단하고 경제적인 방법은 퓨즈를 앞에 놓고 과도 전압 억제(Transient Voltage Suppressor, TVS) 다이오드와 같은 클램프와 부하를 병렬로 연결하는 것이다(그림 1). 이 회로는 TVS 다이오드(D2)의 항복 전압을 초과하는 과도적인 과전압으로부터 ECU를 보호해준다. TVS는 네거티브 과도 전압 또는 안정상태(steady-state) 역전압에 노출될 때 순방향으로 바이어스되므로 네거티브 전압을 순방향 바이어스 전압까지(예: -1 V) 제한함으로써 다운스트림 회로를 보호한다. 네거티브 또는 포지티브 과전압이 지속되면 퓨즈가 끊어진다.
액세스가 불가능한 ECU에서 퓨즈를 교체하지 않으려면 또는 지속적인 ECU 동작을 보장하려면 직렬 보호 회로 추가와 같은 다른 방법을 사용해야 한다. 그림 2의 회로는 배터리 역 삽입 상태(D1) 및 TVS 다이오드(D2)의 항복 전압보다 큰 임펄스 과전압으로부터 ECU를 보호한다. 설계자는 발생 가능한 최대 네거티브 과도 전압보다 큰(D1에 대한) 피크 역전압을 선택해야 한다.
소형 크기와 높은 전력소비 특성으로 인해 배리스터는 종종 보드 공간이 중요하면서 다운스트림 회로가 포지티브 및 네거티브 과전압에 대해 일정한 허용 한도를 갖는 애플리케이션에 선택된다. 그림 3의 회로는 배리스터의 항복 전압보다 큰 과전압 펄스(포지티브 및 네거티브 과도 전압)로부터 다운스트림 회로를 보호한다.

장점 및 단점

앞에서 언급한 모든 회로는 장점과 단점을 갖는다. 예를 들어 그림 1에서 설계자는 존재하는 최고 안정상태 전압보다 큰 항복 전압을 갖는 TVS 다이오드를 선택해야 한다. 이렇게 하면 언제나 점프 스타트 시 2배의 배터리 전압이 인가된다(종종 1분 이상 26 V 초과). 그렇지 않을 경우 TVS는 낮은 레벨 전압에서 전도를 시작하고, 이로 인한 전력 소비로 인해 피해를 입는다.
TVS 다이오드는 또한 항복 전압 위에서 일정한 내부 저항을 발생시키므로 대전류에서 클램핑 전압이 증가한다. 예를 들어 28 V TVS 다이오드(SMBJ28)는 로드 덤프 시 최대 45 V까지 다운스트림 회로를 노출시킬 수 있기 때문에 45 V까지 견디는 다운스트림 회로를 의무적으로 사용해야 한다. 분명히 이것은 보통 자동차의 정상 동작 전압 범위(통상적으로 약 17 V)의 상위 최대 전압까지만 동작할 필요가 있는 다운스트림 ECU 회로를 위한 부품 선택을 복잡하게 한다. 보다 높은 전압의 반도체와 기타 소자는 값이 비싸므로 ECU 비용이 증가한다.
발생 가능한 최대 과전압을 낮게 유지하려면 발생되는 최고 안정상태 전압에 가장 가까운 항복 전압을 갖는 (예를 들어 점프 스타트 전압) TVS를 선택해야 한다.  하지만 이렇게 하면 이번에는 항복 전압에 가까운 전압에서 뿐만 아니라 자동차의 정상 동작 전압(12 V)에서도 누설전류에 영향을 미친다. 이러한 누설전류는 ECU 설계자가 자동차 엔진이 동작하지 않을 때 낮은 무부하 전류에 대한 OEM 요구사항을 만족시키는 작업을 더 어렵게 만든다.
정상 동작 중 그림 2의 다이오드(D1)는 약 0.7 V 이상의 전압강하를 보여준다. 이것은 다음 두 가지 방식으로 단점이 된다.

▶ 전압강하는 일부 전력 소비를 의미한다.
▶ ECU의 저전압 동작은 더 까다롭다.

자동차 오디오 시스템과 같은 대전류 애플리케이션에서 소비되는 전류는 쉽게 10 A를 초과한다. 이러한 시스템에서 1 V의 다이오드 전압강하는 10 W를 소비하며, 이는 회로 보드의 제한된 보드 공간에서 소비하기에는 거의 불가능한 수준이다. 일부 애플리케이션에서는 이러한 문제를 완화하기 위해 단일 또는 더블 쇼트키 다이오드를 사용한다. 전압강하가 0.5 V라고 가정하면 더블 쇼트키 다이오드의 전력 소비는 10 A 부하 전류에서 5 W가 된다. 이 값은 여전히 높지만 설계자가 대형 히트싱크를 사용하지 않을 수 없게 만들기도 한다.
앞에서 언급했듯이 다이오드 강하의 전압 손실은 그 자체로 문제가 될 수 있다. 예를 들어 14.4 V 오디오 시스템에서 스피커 구동을 위해 가용 전압을 최대화하여 출력 전력을 극대화할 수 있다. 따라서 배터리 역삽입 다이오드로 인한 1 V의 전원 손실은 2 Ω 브리지 타이(bridge-tied) 스피커의 경우 약 8.4 dBW의 출력 전력 손실을 의미한다.
저온 환경에서 자동차를 크랭크하는 동안 발생하는 저전압 레벨까지 ECU가 동작해야 하는 경우 모든 전압 손실은 치명적일 수 있다. 콜드 크랭크 동안 5.5 V 이하의 입력 전압은 OEM 자동차 제조업체 규격에서는 일반적이다. 배터리 역삽입 다이오드의 전압강하는 소중한 헤드룸을 소진할 수 있다. 일례로 자동차 전압이 ECU 입력 커넥터에서 5.5 V까지 떨어질 경우, 여기에 배터리 역삽입 다이오드의 0.7 V 다이오드 강하를 뺀다면 나머지 회로를 위한 남은 전압은 4.8 V에 불과하다.
5 V 마이크로컨트롤러가 300 mV의 강하 전압을 갖는 선형 레귤레이터에 의해 전력을 공급받는다면 마이크로컨트롤러는 단 4.5 V만 수신하게 되며, 이 전압은 μC의 지속적인 동작을 유지하기에는 충분하지 못할 수 있다. 마이크로컨트롤러가 리셋되고 메모리를 잃거나 심지어 전체 ECU가 일시적으로 동작을 멈출 수도 있다. 이러한 문제는 실제로 GPS 내비게이션 시스템에서 볼 수 있는데, 이러한 시스템에서 차를 시동하기 전에 목적지의 좌표를 입력할 경우 이후의 콜드 크랭크 시에 데이터가 삭제되어서는 안된다.
그림 3과 같이 배리스터가 내장된 애플리케이션에서 회로 보드 공간은 중요하다. TVS 다이오드와 마찬가지로 배리스터 항복 전압은 존재하는 최고 안정상태 DC 전압에 따라 선택되어야 한다. 그러나 항복 전압 상에서 배리스터의 V-I 특성은 TVS 다이오드보다 훨씬 더 느리게 상승한다. 이러한 이유로 배리스터는 다음 회로에 TVS 다이오드보다 훨씬 더 높은 전압을 전달한다. 이에 따라 다운스트림 회로를 설계할 때는 부품 비용이 높아질 수 있다.
항복 전압을 상대적으로 낮은 레벨로 설정하여 과전압을 최소화하면 정상 동작 조건에서 소비되는 무부하 전류가 나빠진다. 정상 동작 전압에서 무부하 전류는 보통 비슷한 수준의 TVS 다이오드보다 높지만, 그 영향은 애플리케이션에 따라 달라진다.