瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)相關(guān)參數(shù)定義與解釋

在設(shè)計(jì)汽車的過程中，一個(gè)主要的難題是例如控制單元、傳感器、信息娛樂系統(tǒng)等保護(hù)電子設(shè)備，免遭出現(xiàn)在電源線上的有害浪涌、電壓瞬態(tài)、ESD和噪聲的損害。瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）是用于保護(hù)汽車電子產(chǎn)品的理想方案，有些參數(shù)對(duì)這些應(yīng)用來說非常重要，包括功率等級(jí)、關(guān)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。

　　功率等級(jí)

　　TVS的功率等級(jí)是在一定測(cè)試或應(yīng)用條件下吸收浪涌的能力。10 μs/1000 μs脈沖波形（Bellcore 1089標(biāo)準(zhǔn)）的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件如圖1所示。這個(gè)測(cè)試條件不同于TVS瞬態(tài)電壓吸收能力的測(cè)試條件，吸收能力的測(cè)試采用8 μs/20 μs脈沖波形，如圖2所示。

　　圖1：TVS的測(cè)試波形（Bellcore 1089） 圖2：TVS的波形

　　擊穿電壓（VBR）

　　擊穿電壓是器件進(jìn)入雪崩擊穿的電壓，采用數(shù)據(jù)表上的特定電流條件下進(jìn)行測(cè)試。

　　最大擊穿電壓（VC：鉗位電壓）

　　在一定的峰值脈沖電流等級(jí)下，TVS上會(huì)出現(xiàn)鉗位電壓。TVS的擊穿電壓是在非常低的電流下測(cè)得的，例如1mA或10mA，不同于應(yīng)用條件下的實(shí)際雪崩電壓。因此，半導(dǎo)體制造商標(biāo)注的典型或最大擊穿電壓對(duì)應(yīng)的是大電流。

　　關(guān)態(tài)工作電壓（VWM）：工作時(shí)的關(guān)態(tài)反向電壓

　　關(guān)態(tài)電壓指的是 TVS在未擊穿情況下所能承受的最高電壓，是電路中在正常情況下不工作的保護(hù)器件的重要參數(shù)。在汽車?yán)锩?，一些汽車電子產(chǎn)品的法規(guī)是根據(jù)“跳啟動(dòng)保護(hù)”的情況制定的。這種情況下，要求為12V的電子設(shè)備提供10分鐘的23VDC電源，用36VDC電源給24VDC電子設(shè)備供電10分鐘，不會(huì)損壞電路或引起誤操作。因此，關(guān)態(tài)電壓是用在汽車電子產(chǎn)品中的TVS的關(guān)鍵參數(shù)。

　　汽車電源線（甩負(fù)荷）的初次保護(hù)

　　電子控制單元、傳感器和信息娛樂系統(tǒng)等汽車電子設(shè)備是連到電源線上的。這些電子產(chǎn)品的電源是電池和發(fā)電機(jī)，這兩種電源的輸出電壓不穩(wěn)定，易受溫度、工作狀態(tài)和其他條件的影響。此外，使用電磁線圈負(fù)載的汽車系統(tǒng)，例如燃油噴嘴、閥門、電動(dòng)機(jī)，電子和混合控制器，會(huì)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(hào)線上。
什么是甩負(fù)荷？

　　當(dāng)引擎開始工作，電池從電源線上斷開，發(fā)電機(jī)繼續(xù)為汽車的電源線輸出電流，這是產(chǎn)生浪涌電壓的最糟糕的情況。這種情況就是所說的“甩負(fù)荷”，大多數(shù)汽車制造商和行業(yè)協(xié)會(huì)都會(huì)針對(duì)這種甩負(fù)荷狀態(tài)，制定最高電壓、線路阻抗，和這種甩負(fù)荷狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，如圖5所示。甩負(fù)荷的源阻抗高于正常條件下瞬態(tài)測(cè)試時(shí)的阻抗，因?yàn)殡姵匾呀?jīng)斷開，只有發(fā)電機(jī)在向外輸出電能，這時(shí)發(fā)電機(jī)的內(nèi)部線圈的作用就象一個(gè)限流電阻。

　　在甩負(fù)荷過程中，需要對(duì)發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行總體考慮：

　　a） 在甩負(fù)荷情況下，發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電阻主要是發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和激磁電流的函數(shù)。

　　可以通過下面的關(guān)系式計(jì)算處甩負(fù)荷測(cè)試加上發(fā)電機(jī)的內(nèi)部電阻Ri

　　Ri = （ 10 X Unom X Nact ） / （ 0.8 X Irated X 12，000 min -1 ），

　　這里

　　Unom 是發(fā)電機(jī)的額定電壓；

　　Nact 是轉(zhuǎn)速為6000轉(zhuǎn)/分鐘的發(fā)電機(jī)的額定電流（ISO 8854中給出的）

　　Irated 是在相互作用的幾分鐘里實(shí)際的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

　　兩個(gè)大家熟知的試驗(yàn)?zāi)M了這個(gè)條件：美國的ISO-7637-2 Pulse 5，和日本用于14V動(dòng)力總成的JASO A-1和用于27V動(dòng)力總成的JASO D-1。在這部分，我們會(huì)概括在14V動(dòng)力總成中用于甩負(fù)荷的TVS應(yīng)用。

　　甩負(fù)荷試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)和結(jié)果

　　美國的ISO-7637-2 Pulse 5和日本的JASO A-1針對(duì)14V動(dòng)力總成的仿真條件如下表。

　　一些汽車制造商在ISO-7637-2 Pulse 5基礎(chǔ)上，針對(duì)甩負(fù)荷測(cè)試采用了不同的條件?？梢杂孟旅娴牡仁焦浪闼ω?fù)荷TVS的峰值鉗位電流。

　　峰值鉗位電流的計(jì)算公式

　　IPP= （Vin– VC） ⁄ Ri

　　IPP： 峰值鉗位電流

　　Vin： 輸入電壓

　　VC： 鉗位電壓

　　Ri： 線路阻抗
針對(duì)負(fù)電壓瞬態(tài)和反向電源電壓的保護(hù)#e#
 

　　在87V 的ISO-7637-2測(cè)試對(duì)13.5V電池，0.75Ω Ri和400ms脈沖寬度條件下，Vishay的SM5S24A的電流和電壓波形，如圖7A所示。

　　圖7A：在ISO 7637-2測(cè)試中SM5S24A的鉗位電壓和電流 圖7B：在ISO7637-2測(cè)試中甩負(fù)荷TVS失效情況下的鉗位電壓和電流

　　在圖7B中，在87V的ISO-7637-2測(cè)試對(duì)13.5V電池，0.5Ω Ri和400ms脈沖寬度條件下，甩負(fù)荷TVS的鉗位電壓和電流失效，因?yàn)槠骷纳⑦^大。鉗位電壓降到接近0V，流過器件的電流達(dá)到線路阻抗隨能允許的最大值。

　　在ISO-7637-2 pulse 5規(guī)定的13.5V Vbatt和400ms脈沖寬度的測(cè)試條件下，Vishay甩負(fù)荷TVS的最大鉗位能力如圖7C所示。為防止出現(xiàn)圖7B中的失效情況，要非常重視TVS的最大等級(jí)。

　　針對(duì)負(fù)電壓瞬態(tài)和反向電源電壓的保護(hù)

　　用于汽車電子初次保護(hù)的甩負(fù)荷TVS有兩類：外延型和非外延型。在反向偏置模式下，這兩個(gè)產(chǎn)品組有相近的工作擊穿特性。不同之處在于，外延性TVS在正向模式下具有低正向壓降（VF）特性，非外延型TVS在同樣條件下的VF相對(duì)高一些。這個(gè)特性對(duì)連到電源線上的負(fù)電壓源很重要。大多數(shù)CMOS IC和LSI在反向電壓特性都非常差。

　　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，電源線的電壓域TVS VF的電壓相同。這種反向偏置模式會(huì)引起電子線路的故障。EPI PAR TVS的低正向壓降能夠很好地解決這個(gè)問題。保護(hù)電路免受反向電源輸入損害的另一個(gè)方法是在電源線中放一個(gè)極性保護(hù)整流器，如圖8所示。極性保護(hù)整流器應(yīng)該有足夠的正向電流等級(jí)，以及正向浪涌和反向電壓性能。

　　對(duì)汽車電源線進(jìn)行二次保護(hù)

　　汽車系統(tǒng)中保護(hù)電路的首要目標(biāo)是高浪涌電壓，但是被鉗位的電壓仍然很高。因此在24V動(dòng)力總成中二次保護(hù)特別重要，比如卡車和小貨車?yán)锏膭?dòng)力總成。主要原因是大多數(shù)穩(wěn)壓器和DC-DC轉(zhuǎn)換器IC的輸入電壓是45V~60V。對(duì)于此類應(yīng)用，建議使用使用圖9中的二次保護(hù)。
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功率等級(jí)的TVS做為二次保護(hù)。在電子單元中的微控制器和邏輯電路需要的電流是150mA~300mA，在-18℃下12V電池的最小輸出電壓是7.2V，同樣條件下24V電池的最小輸出電壓是14.4V。在同樣條件下的24V電池中，在300mA負(fù)載、R = 20 Ω的條件下電源電壓是8.4 V，在R = 10 Ω和14.4V（24V電池在-18℃下的最小電壓）條件下為11.4V。

　　VL = （Vmin⁄ （Vmin⁄ IL）） × （（Vmin⁄ IL） – R）

　　VL：負(fù)載電壓

　　Vmin：最小輸入電壓

　　IL：負(fù)載電流

　　R：電阻阻值

　　R的功率等級(jí)= I2R

　　對(duì)于大多數(shù)電壓穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)換器IC，電源電壓要高于最小輸入電壓，避免低壓輸入引起電路的誤操作。

　　由于汽車系統(tǒng)中的安全和可靠是非常重要的考慮因素，這些內(nèi)容不在本文的討論范圍內(nèi)。