汽車級瞬態(tài)電壓抑制器，提供專業(yè)級保護

 挑戰(zhàn)

無論是傳統(tǒng)汽車和新能源汽車，安全、綠色、舒適的汽車電子系統(tǒng)是共同的訴求，汽車安全性包括零失效、功能安全和自診斷模塊;環(huán)境友好性指通過車載網(wǎng)絡的使用來減輕車重，從而降低能耗，還包括采用環(huán)保材料和工藝;強大的圖形圖像處理技術，直觀友好的人機界面都為駕駛者帶來舒適的駕駛體驗。

汽車中電子器件的技術含量和數(shù)量是衡量汽車性能一個重要標志。隨著人們對駕駛的舒適性、安全性、娛樂性和經(jīng)濟性的要求日益苛刻，使汽車電子系統(tǒng)變得更加復雜，汽車中電子器件的數(shù)量也越來越多。ABS、電子點火系統(tǒng)、氣囊保護和倒車雷達等許多功能現(xiàn)已被當作標準配置，而這還遠遠不夠，因為人們對更精準的汽車控制和娛樂享受的追求沒有停歇。

然而，汽車電子的設計者在系統(tǒng)設計過程期間，將面臨眾多的技術挑戰(zhàn)，包括設計各種克服電氣危害的電路保護方法。這些系統(tǒng)中電氣危害的三大主要來源是靜電放電(ESD)、雷電以及電力電子電路中的開關性負載?？朔茐能囕v電子設備的瞬態(tài)浪涌是設計過程中最大的挑戰(zhàn)。

解決方案

汽車電子電路保護包括消除瞬態(tài)浪涌，因其將損害控制單元、娛樂系統(tǒng)電子設備、傳感器、噴油嘴、閥門、電機、12/24/42V傳動系統(tǒng)和水解控制器等等。

Littelfuse瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)保護什么?

如圖1所示，力特瞬態(tài)電壓抑制器為車輛的四大主要類型系統(tǒng)提供保護：安全性系統(tǒng)、高性能系統(tǒng)和低輻射、舒適系統(tǒng)和便捷系統(tǒng)，以及混合動力汽車系統(tǒng)。

現(xiàn)代汽車設計中，所有車載電子設備連接到電池和交流發(fā)電機上。如圖2所示，交流發(fā)電機的輸出不穩(wěn)定，用于為車輛其它系統(tǒng)提供電力前，要求進一步調試。今天，大部份交流發(fā)電機具有穩(wěn)壓二極管，從而防止負載波動引起的浪涌電壓;但是，這些遠遠不夠。啟動或切換感性負載期間，因為斷開電池，從而產(chǎn)生尖峰電壓或瞬變，如不糾正，這些瞬變會沿著電力線傳輸，導致個人電子設備和傳感器出現(xiàn)故障或永久性破壞車輛電子系統(tǒng)，從而影響整體可靠性。

汽車瞬態(tài)浪涌(非ESD)標準TPSMA6L

Littelfuse是瞬態(tài)電壓抑制二極管產(chǎn)品的主要供應商。LittelfuseTPSMB和TPSMA6L系統(tǒng)瞬態(tài)電壓抑制二極管可為敏感電子設備提供二次瞬態(tài)電壓保護、因負載變化引起的瞬變和其它瞬變電壓事件。汽車級TVS系列以小封裝提供優(yōu)越的電氣性能，允許設計者升級他們的電路保護，而勿須更改其現(xiàn)有設計包裝，或在新電路布局中，提供更有力的保護方案。

圖1 車輛系統(tǒng)受到瞬態(tài)浪涌危害

交流發(fā)電機/調壓器組裝(實際電路全波整流)

圖2 車輛電氣系統(tǒng)中大部分的瞬變由交流發(fā)電機造成

12V/24V系統(tǒng)中，負載變化引發(fā)的電壓波動要求高能瞬態(tài)電壓抑制二極管。

汽車市場有兩大主要標準，概述了瞬態(tài)浪涌的防護：日本、美國和國際市場的JASO和ISO7637-2(浪涌)測試。JASO A-1 闡述了14V車輛系統(tǒng)的測試條件;JASO D-1闡述了27V車輛的測試條件。 以下測試標準是國際和美國的測試標準，包括負載變化、開關瞬變和靜電放電威脅。

國際標準ISO 7637：

• 適用于公路車輛— 通過傳導和耦合進行電氣干擾。

美國國家標準：

• SAE(汽車工程師學會)J1113

• GM 9105、ES-F2af-1316-AA 福特 (偉世通)

關于ISO7637-2 脈沖的更多信息：

• 汽車電磁兼容瞬變要求

圖3a 不同脈沖的浪涌波形及其大小

汽車環(huán)境測試級別

表 1 各脈沖 ISO7637-2 的測試級別

• 各脈沖的四種性能級別

–不同 o/c 電壓

–負極和正極

–脈沖持續(xù)時間 0.1–400ms

–單一脈沖和脈沖串

–瞬變電壓抑制及其工作模式

圖 3b 瞬態(tài)電壓抑制二極管被用于各種汽車系統(tǒng)用作分流/瞬態(tài)浪涌保護器

如圖3所示，瞬態(tài)電壓抑制二極管TPSMA6L15A被置放于電子控制單元、傳感器、安全氣囊、控制器、電機等等之前的保護。交流發(fā)電機向電子設備供電時，瞬態(tài)電壓抑制二極管將防止不希望的瞬變，從而允許直流操作12-14V電壓的電氣系統(tǒng)。 汽車總線保護

目前最流行的通信總線標準是CAN和LIN母線。

CAN總線(控制區(qū)域網(wǎng)絡)是一種汽車總線標準，旨在允許微控制器和設備在車輛內相互通信，而勿須主機。

CAN 總線是一種以信息為導向的協(xié)議，專門為汽車應用程序設計，但目前同樣在其它區(qū)域使用，如航空航天、工業(yè)自動化和醫(yī)療設備。

流行的高速CAN總線協(xié)議屬于ISO11898-2，在嚴酷環(huán)境下，該區(qū)別協(xié)議適用于高速(1.0Mbps)和中速(125Kbps)的應用程序。

ISO11898-2母線由CAN_H 和 CAN_L數(shù)據(jù)線以及共同接地信號組成。其有12V和24V系統(tǒng)，配備不同的總線電壓。

表 2 高速 CAN 規(guī)范

LIN (本地連接網(wǎng)絡)總線標準是串行網(wǎng)絡協(xié)議，用于車輛元件之間的通信。隨著車輛中技術和設施實現(xiàn)的增長，引發(fā)對廉價串行網(wǎng)絡的需求，因為使用CAN母線實現(xiàn)汽車中各元件的通信太昂貴。歐洲汽車制造商開始使用不同串行通信拓撲，導致兼容性問題。

新LIN規(guī)范首次完全執(zhí)行版本(LIN版本1.3)于2002年11月出版。2003年9月，引入版本2.0擴張其兼容性，并提供額外的診斷特點。

LIN同樣可被用在車輛電源線，配備特殊DC-LIN收發(fā)器，這在目前汽車世界中很常見。

表 3 LIN 母線應用程序

CAN 和 LIN母線應用程序之間的差異

控制區(qū)域網(wǎng)絡(CAN)系統(tǒng)處理自動力方向盤到臨界驅動列車引擎計算機和傳輸間通信的所有事務。

本地網(wǎng)絡連接(LIN)系統(tǒng)處理簡單的機電功能，如移動電動座椅和切換巡航控制。

汽車世界中，對CAN/LIN 母線的威脅

由于CAN/LIN母線是汽車內各類控制和監(jiān)控功能的雙線式通信總線，浪涌進入兩條電線中的可能性極大，從而造成CAN/LIN收發(fā)器故障。以下是這兩個總線的保護方法。

CAN 母線保護示意圖

圖 4 CAN 總線保護

如圖4所示，TPSMB30CA瞬態(tài)電壓抑制二極管目的是在共模(配備24V系統(tǒng))中保護兩條CAN母線，免受浪涌事件影響。TPSMB24CA是一根600W雙向瞬態(tài)電壓抑制二極管，25.6V反向平衡電壓和41.4V最大嵌位電壓。保護CAN母線而勿須削弱CAN信號是非常理解的。12V CAN系統(tǒng)中，使用兩根TPSMB15CA瞬態(tài)電壓抑制二極管，而不使用TPSMB24CA。

LIN 母線保護示意圖

圖5 LIN 總線保護

LIN收發(fā)器的信號范圍是+24 /–15V，數(shù)據(jù)率是2.4kbps 至 20kbps。如圖5所見，需要雙向非對稱瞬態(tài)電壓抑制二極管配置，從而在不同模式中，保護兩根電線。

TPSMA6L24A/TPSMA6L15A 瞬態(tài)電壓抑制二極管連接反串行模式中，以便出現(xiàn)浪涌事件時，保護兩根電線。TPSMA6L瞬態(tài)電壓抑制二極管是一個600W器件，安置在小型DO-221AC包裝中。相同功率處理能力的可選解決方案應是增加一個TPSMB30CA(雙向)，以保護LIN總線。 ISO763-2 脈沖 5a測試

脈沖5a在力特33V VBR(飽和電壓)瞬態(tài)電壓抑制二極管的測試如下。

表 5 ISO7637-2脈沖 5a中，關于力特瞬態(tài)電壓抑制二極管的可靠性測試報告

圖6 測試波形和示波器屏幕

圖7 測試電壓30V和電流11.34A

圖8 測試電壓35V和電流18.85A

圖9 測試電壓 36V

結果表明，33V VBR瞬態(tài)電壓抑制二極管就操作而言，10次均通過ISO7637-2脈沖5中測試標準。測試前后，啟動電壓的變化非常小，可忽略不計(<0.2%)。

瞬態(tài)電壓抑制術語

反向工作電壓

使用單向瞬態(tài)電壓抑制二極管的情況下，反向工作電壓是“堵塞方向”中適用的最大峰值電壓，沒有明顯電流。雙向瞬變的情況下，可適用兩個方向。其具有相同的定義，即最大關斷狀態(tài)電壓或最大工作電壓。

啟動電壓

指定DC測試電流中測量的電壓，通常是1mA。通常定義指定最小或最大值。

峰值脈沖功率

以瓦或千瓦表示，1ms脈沖寬度。IPP乘以VCL。

最大嵌位電壓(VC或VCI)

經(jīng)受到電大峰值脈沖電流時，整個保護器測量的最大電壓。

峰值脈沖電流(IPP)

峰值脈沖電流(IPP)確認瞬態(tài)電壓抑制二極管可抵擋不受損壞的最大電流。所需IPP僅可通過區(qū)分峰值瞬變電壓除以電源阻抗決定。注意瞬態(tài)電壓抑制二極管的失效是短路;如果因瞬變大于數(shù)據(jù)表規(guī)范，而使瞬態(tài)電壓抑制二極管出現(xiàn)故障，電路仍是受保護的。