瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)相關參數(shù)定義與解釋

在設計汽車的過程中，一個主要的難題是例如控制單元、傳感器、信息娛樂系統(tǒng)等保護電子設備，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）是用于保護汽車電子產(chǎn)品的理想方案，有些參數(shù)對這些應用來說非常重要，包括功率等級、關態(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

　　TVS的功率等級是在一定測試或應用條件下吸收浪涌的能力。10 μs/1000 μs脈沖波形（Bellcore 1089標準）的行業(yè)標準測試條件如圖1所示。這個測試條件不同于TVS瞬態(tài)電壓吸收能力的測試條件，吸收能力的測試采用8 μs/20 μs脈沖波形，如圖2所示。

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

　　擊穿電壓（VBR）

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

　　最大擊穿電壓（VC：鉗位電壓）

　　在一定的峰值脈沖電流等級下，TVS上會出現(xiàn)鉗位電壓。TVS的擊穿電壓是在非常低的電流下測得的，例如1mA或10mA，不同于應用條件下的實際雪崩電壓。因此，半導體制造商標注的典型或最大擊穿電壓對應的是大電流。

　　關態(tài)工作電壓（VWM）：工作時的關態(tài)反向電壓

　　關態(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器件的重要參數(shù)。在汽車里面，一些汽車電子產(chǎn)品的法規(guī)是根據(jù)“跳啟動保護”的情況制定的。這種情況下，要求為12V的電子設備提供10分鐘的23VDC電源，用36VDC電源給24VDC電子設備供電10分鐘，不會損壞電路或引起誤操作。因此，關態(tài)電壓是用在汽車電子產(chǎn)品中的TVS的關鍵參數(shù)。

　　汽車電源線（甩負荷）的初次保護

　　電子控制單元、傳感器和信息娛樂系統(tǒng)等汽車電子設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，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，使用電磁線圈負載的汽車系統(tǒng)，例如燃油噴嘴、閥門、電動機，電子和混合控制器，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。
什么是甩負荷？

　　當引擎開始工作，電池從電源線上斷開，發(fā)電機繼續(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“甩負荷”，大多數(shù)汽車制造商和行業(yè)協(xié)會都會針對這種甩負荷狀態(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。甩負荷的源阻抗高于正常條件下瞬態(tài)測試時的阻抗，因為電池已經(jīng)斷開，只有發(fā)電機在向外輸出電能，這時發(fā)電機的內(nèi)部線圈的作用就象一個限流電阻。

　　在甩負荷過程中，需要對發(fā)電機的動態(tài)行為進行總體考慮：

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

　　可以通過下面的關系式計算處甩負荷測試加上發(fā)電機的內(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)電機的額定電壓；

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

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

　　兩個大家熟知的試驗模擬了這個條件：美國的ISO-7637-2 Pulse 5，和日本用于14V動力總成的JASO A-1和用于27V動力總成的JASO D-1。在這部分，我們會概括在14V動力總成中用于甩負荷的TVS應用。

　　甩負荷試驗的標準和結(jié)果

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

　　一些汽車制造商在ISO-7637-2 Pulse 5基礎上，針對甩負荷測試采用了不同的條件?？梢杂孟旅娴牡仁焦浪闼ω摵蒚VS的峰值鉗位電流。

　　峰值鉗位電流的計算公式

　　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
針對負電壓瞬態(tài)和反向電源電壓的保護#e#
 

　　在87V 的ISO-7637-2測試對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測試中SM5S24A的鉗位電壓和電流 圖7B：在ISO7637-2測試中甩負荷TVS失效情況下的鉗位電壓和電流

　　在圖7B中，在87V的ISO-7637-2測試對13.5V電池，0.5Ω Ri和400ms脈沖寬度條件下，甩負荷TVS的鉗位電壓和電流失效，因為器件耗散過大。鉗位電壓降到接近0V，流過器件的電流達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脈沖寬度的測試條件下，Vishay甩負荷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。

　　針對負電壓瞬態(tài)和反向電源電壓的保護

　　用于汽車電子初次保護的甩負荷TVS有兩類：外延型和非外延型。在反向偏置模式下，這兩個產(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相對高一些。這個特性對連到電源線上的負電壓源很重要。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問題。保護電路免受反向電源輸入損害的另一個方法是在電源線中放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電流等級，以及正向浪涌和反向電壓性能。

　　對汽車電源線進行二次保護

　　汽車系統(tǒng)中保護電路的首要目標是高浪涌電壓，但是被鉗位的電壓仍然很高。因此在24V動力總成中二次保護特別重要，比如卡車和小貨車里的動力總成。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。對于此類應用，建議使用使用圖9中的二次保護。
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的TVS做為二次保護。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：負載電壓

　　Vmin：最小輸入電壓

　　IL：負載電流

　　R：電阻阻值

　　R的功率等級= I2R

　　對于大多數(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)。