用于汽車電子系統(tǒng)保護的瞬態(tài)電壓抑制器TVS

中心議題：

• 用于汽車電子保護的TVS參數(shù)分析
• TVS應用于汽車電子的保護方案

解決方案：

• TVS用于汽車電源線的初級保護
• TVS針對負向瞬態(tài)電壓和反向電源電壓的保護
• TVS用于汽車電源線的次級保護

汽車設計的一項主要挑戰(zhàn)是保護電子設備(例如控制單元、傳感器和信息娛樂系統(tǒng))免受電源線上出現(xiàn)的有害浪涌電壓、瞬態(tài)電壓、ESD和噪聲的損害。瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)是汽車電子保護的理想方案，其某些參數(shù)對這些應用來說非常重要，包括額定功率、斷態(tài)電壓、擊穿電壓、最大擊穿電壓。下面是這些參數(shù)的定義。

額定功率

TVS的額定功率是在一定測試或應用條件下吸收浪涌的能力。10μs/1000μs脈沖波形的工業(yè)標準測試條件(Bellcore 1089標準)如圖1所示。這個測試條件不同于8μs/20μs脈沖波形的TVS瞬態(tài)電壓吸收能力測試條件，如圖2所示。

擊穿電壓(VBR)

擊穿電壓是器件進入雪崩擊穿的電壓，在數(shù)據(jù)表上的特定電流條件下對其進行測試(圖3)。

最大擊穿電壓(VC：鉗位電壓)

在特定的峰值脈沖電流定額下，TVS上會出現(xiàn)鉗位電壓。TVS的擊穿電壓在非常小的電流下測得(例如1mA或10mA)，它不同于應用條件下的實際雪崩電壓。因此，半導體制造商所標注的是在大電流下的典型或最大擊穿電壓。

斷態(tài)電壓(VWM)：反向斷態(tài)工作電壓

斷態(tài)電壓指的是TVS在未擊穿情況下所能承受的最高電壓，它是在正常情況下不工作電路中保護器件的重要參數(shù)。在汽車中，一些汽車電子產品規(guī)范是根據(jù)“跳線跨接起動保護”的情況制定的。這種情況要求為12V類型電子設備提供10分鐘24VDC，或為24V類型電子設備提供10分鐘36VDC，而不損壞電路或者引起電路故障。因此，斷態(tài)電壓是汽車電子產品中TVS的一項關鍵參數(shù)。

汽車電源線初級保護(甩負荷)

電子控制單元、傳感器和信息娛樂系統(tǒng)等汽車電子設備連接在一根電源線上(圖4)。這些電子產品的電源是電池和交流發(fā)電機，這兩種電源的輸出電壓都不穩(wěn)定，容易受溫度、工作狀態(tài)和其他條件影響。此外，使用燃油噴射系統(tǒng)、閥、電機、電氣和水解控制器等電磁線圈負載的汽車系統(tǒng)，會把ESD、尖峰噪聲和其他類型的瞬態(tài)和浪涌電壓引入到電源和信號線上。

圖4：典型的汽車電源線。

什么是甩負荷？

最糟糕的浪涌電壓發(fā)生在引擎運轉時電池斷開，交流發(fā)電機為汽車電源線提供電流時，這種情況就是所說的“甩負荷”。大多數(shù)汽車制造商和工業(yè)協(xié)會都會為這種甩負荷狀態(tài)制定最高電壓、線路阻抗和這種甩負荷狀態(tài)的持續(xù)時間，如圖5所示。甩負荷的電源阻抗會高于正常瞬態(tài)測試時的電源阻抗，因為電池斷開而只有發(fā)電機在向外輸出電能，這時交流發(fā)電機的內部線圈相當于一個限流電阻。

圖5：甩負荷過程中交流發(fā)電機的輸出電壓。

在甩負荷過程中，需要對交流發(fā)電機的動態(tài)性能進行總體考慮：在甩負荷情況下，交流發(fā)電機內阻主要是交流發(fā)電機轉速和勵磁電流的函數(shù)。計算甩負荷測試脈沖發(fā)生器內阻Ri的關系式是：Ri=(10×Unom×Nact)/(0.8×Irated×12,000min-1),這里，Unom是交流發(fā)電機的額定電壓，Irated是交流發(fā)電機轉速為6000min-1時的額定電流(ISO 8854給出)，Nact是以min-1為單位的實際交流發(fā)電機轉速。

兩個熟知的試驗模擬了這個條件：針對14V動力總成的美國ISO-7637-2 Pulse 5和日本JASO A-1和針對27V動力總成的JASO D-1。在本節(jié)中，我們將回顧在14V動力總成中用于甩負荷的TVS應用。

甩負荷試驗規(guī)范和結果

針對14V動力總成的美國ISO-7637-2 Pulse 5和日本JASO A-1測試仿真見表1及圖6。

表1：JASO A-1和ISO-7637-2 Pulse 5測試仿真條件。

圖6：針對ISO-7637-2測試條件，標準的VS和Ri取值范圍分別為65V~87V和0.5Ω~4Ω。

一些汽車制造商針對基于ISO-7637-2 Pulse 5的甩負荷測試采用了不同的條件。估算甩負荷TVS的峰值鉗位電流的公式為IPP=(Vin–VC)/Ri，其中，IPP為峰值鉗位電流，Vin為輸入電壓，VC為鉗位電壓，Ri為線路阻抗。

在87V電源電壓(Vs)、13.5V電池電壓(Vbatt.)、0.75Ω Ri和400ms的ISO-7637-2測試中，Vishay公司SM5S24A電流和電壓波形如圖7A所示。

在圖7B中，在87V VS、13.5V Vbatt.，0.5Ω Ri和400ms脈寬的ISO-7637-2測試中，甩負荷TVS的鉗位電壓和電流失效，因為器件耗散過大。鉗位電壓下降到接近于0，而流過器件的電流上升到線路阻抗允許的最大值。

在具有13.5V Vbatt和400ms脈寬的ISO-7637-2 pulse 5測試條件下，Vishay甩負荷TVS的最大鉗位性能如圖7C所示。為防止出現(xiàn)圖7B中的失效，需要充分考慮TVS的最大定額。

圖7A：ISO 7637-2測試中SM5S24A的鉗位電壓和電流。圖7B：ISO 7637-2測試中甩負荷TVS失效情況下的鉗位電壓和電流。圖7C：ISO 7637-2測試中Vishay甩負荷TVS的最大鉗位性能。

針對負向瞬態(tài)電壓和反向電源電壓的保護

用于汽車電子初級保護的甩負荷TVS有兩類：外延型和非外延型。在反偏模式下，這兩組產品具有相似的擊穿工作特性。不同之處在于，外延型TVS在正向模式下具有低正向壓降(VF)特性，非外延型TVS在相同條件下VF相對較高。這個特性對加在電源線上的反向電壓很重要。大多數(shù)CMOS IC和大規(guī)模集成電路(LSI)的反向電壓特性都很差。

MOSFET的柵極在-1V或更低的反向電壓下也很脆弱。在反向電源輸入模式中，電源線電壓與TVS VF的電壓相同。這種反偏模式會引起電子線路故障。外延型TVS的低正向壓降能夠很好地解決這個問題。保護電路免受反向電源輸入損害的另一種方法是在電源線上使用一個極性保護整流器，如圖8所示。極性保護整流器應該有足夠的正向額定電流及正向浪涌和反向電壓性能。

圖8：次級保護電路。

汽車電源線的次級保護

汽車系統(tǒng)中保護電路的初級對象是高浪涌電壓，但是被鉗位的電壓仍然很高。因此，在24V動力總成中的次級保護特別重要，比如卡車和貨車中的動力總成。其主要原因是因為大多數(shù)穩(wěn)壓器和DC-DC轉換器IC的最大輸入電壓是45V~60V。對于此類應用，建議使用圖9中的次級保護。

圖9：反偏狀態(tài)。

在電源線上增加電阻R可以減小瞬態(tài)電流，這樣就可以使用更小額定功率的TVS作為次級保護。電子單元中的微控制器和邏輯電路需要的電流為150mA~300mA，在-18℃下12V電池的最小輸出電壓為7.2V，同樣條件下，24V電池的最小輸出電壓為14.4V。同樣條件的24V電池中，在300mA負載、R=20Ω的條件下電源電壓為8.4V，在R=10Ω和14.4V的最低電壓(24V電池在-18℃時的電壓)條件下為11.4V。計算公式為：VL=(Vmin/(Vmin/IL))×((Vmin/IL)–R)，其中，VL為負載電壓，Vmin為最小輸入電壓，IL為負載電流，R為電阻阻值，R的額定功率=I2R。

對于大多數(shù)穩(wěn)壓器和DC/DC轉換器IC而言，電源電壓要高于最小輸入電壓，以避免低壓輸入引起電路誤操作。

安全性和可靠性也是汽車系統(tǒng)中非常重要的考慮因素，但這些內容不在本文的討論范圍之內。