用于汽車(chē)電子系統(tǒng)保護(hù)的瞬態(tài)電壓抑制器TVS

中心議題：

• 用于汽車(chē)電子保護(hù)的TVS參數(shù)分析
• TVS應(yīng)用于汽車(chē)電子的保護(hù)方案

解決方案：

• TVS用于汽車(chē)電源線的初級(jí)保護(hù)
• TVS針對(duì)負(fù)向瞬態(tài)電壓和反向電源電壓的保護(hù)
• TVS用于汽車(chē)電源線的次級(jí)保護(hù)

汽車(chē)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)主要挑戰(zhàn)是保護(hù)電子設(shè)備(例如控制單元、傳感器和信息娛樂(lè)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(chē)電子保護(hù)的理想方案，其某些參數(shù)對(duì)這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)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(cè)試或應(yīng)用條件下吸收浪涌的能力。10μs/1000μs脈沖波形的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件(Bellcore 1089標(biāo)準(zhǔn))如圖1所示。這個(gè)測(cè)試條件不同于8μs/20μs脈沖波形的TVS瞬態(tài)電壓吸收能力測(cè)試條件，如圖2所示。

擊穿電壓(VBR)

擊穿電壓是器件進(jìn)入雪崩擊穿的電壓，在數(shù)據(jù)表上的特定電流條件下對(duì)其進(jìn)行測(cè)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(huì)出現(xiàn)鉗位電壓。TVS的擊穿電壓在非常小的電流下測(cè)得(例如1mA或10mA)，它不同于應(yīng)用條件下的實(shí)際雪崩電壓。因此，半導(dǎo)體制造商所標(biāo)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(hù)器件的重要參數(shù)。在汽車(chē)中，一些汽車(chē)電子產(chǎn)品規(guī)范是根據(jù)“跳線跨接起動(dòng)保護(hù)”的情況制定的。這種情況要求為12V類(lèi)型電子設(shè)備提供10分鐘24VDC，或?yàn)?4V類(lèi)型電子設(shè)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(chē)電子產(chǎn)品中TVS的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。

汽車(chē)電源線初級(jí)保護(hù)(甩負(fù)荷)

電子控制單元、傳感器和信息娛樂(lè)系統(tǒng)等汽車(chē)電子設(shè)備連接在一根電源線上(圖4)。這些電子產(chǎn)品的電源是電池和交流發(fā)電機(jī)，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(jī)、電氣和水解控制器等電磁線圈負(fù)載的汽車(chē)系統(tǒng)，會(huì)把ESD、尖峰噪聲和其他類(lèi)型的瞬態(tài)和浪涌電壓引入到電源和信號(hào)線上。

圖4：典型的汽車(chē)電源線。

什么是甩負(fù)荷？

最糟糕的浪涌電壓發(fā)生在引擎運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電池?cái)嚅_(kāi)，交流發(fā)電機(jī)為汽車(chē)電源線提供電流時(shí)，這種情況就是所說(shuō)的“甩負(fù)荷”。大多數(shù)汽車(chē)制造商和工業(yè)協(xié)會(huì)都會(huì)為這種甩負(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)荷的電源阻抗會(huì)高于正常瞬態(tài)測(cè)試時(shí)的電源阻抗，因?yàn)殡姵財(cái)嚅_(kāi)而只有發(fā)電機(jī)在向外輸出電能，這時(shí)交流發(fā)電機(jī)的內(nèi)部線圈相當(dāng)于一個(gè)限流電阻。

圖5：甩負(fù)荷過(guò)程中交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓。

在甩負(fù)荷過(guò)程中，需要對(duì)交流發(fā)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行總體考慮：在甩負(fù)荷情況下，交流發(fā)電機(jī)內(nèi)阻主要是交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流的函數(shù)。計(jì)算甩負(fù)荷測(cè)試脈沖發(fā)生器內(nèi)阻Ri的關(guān)系式是：Ri=(10×Unom×Nact)/(0.8×Irated×12,000min-1),這里，Unom是交流發(fā)電機(jī)的額定電壓，Irated是交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為6000min-1時(shí)的額定電流(ISO 8854給出)，Nact是以min-1為單位的實(shí)際交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速。

兩個(gè)熟知的試驗(yàn)?zāi)M了這個(gè)條件：針對(duì)14V動(dòng)力總成的美國(guó)ISO-7637-2 Pulse 5和日本JASO A-1和針對(duì)27V動(dòng)力總成的JASO D-1。在本節(jié)中，我們將回顧在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)規(guī)范和結(jié)果

針對(duì)14V動(dòng)力總成的美國(guó)ISO-7637-2 Pulse 5和日本JASO A-1測(cè)試仿真見(jiàn)表1及圖6。

表1：JASO A-1和ISO-7637-2 Pulse 5測(cè)試仿真條件。

圖6：針對(duì)ISO-7637-2測(cè)試條件，標(biāo)準(zhǔn)的VS和Ri取值范圍分別為65V~87V和0.5Ω~4Ω。

一些汽車(chē)制造商針對(duì)基于ISO-7637-2 Pulse 5的甩負(fù)荷測(cè)試采用了不同的條件。估算甩負(fù)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(cè)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(cè)試中，甩負(fù)荷TVS的鉗位電壓和電流失效，因?yàn)槠骷纳⑦^(guò)大。鉗位電壓下降到接近于0，而流過(guò)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(cè)試條件下，Vishay甩負(fù)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(cè)試中SM5S24A的鉗位電壓和電流。圖7B：ISO 7637-2測(cè)試中甩負(fù)荷TVS失效情況下的鉗位電壓和電流。圖7C：ISO 7637-2測(cè)試中Vishay甩負(fù)荷TVS的最大鉗位性能。

針對(duì)負(fù)向瞬態(tài)電壓和反向電源電壓的保護(hù)

用于汽車(chē)電子初級(jí)保護(hù)的甩負(fù)荷TVS有兩類(lèi)：外延型和非外延型。在反偏模式下，這兩組產(chǎn)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(duì)較高。這個(gè)特性對(duì)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(huì)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(gè)問(wèn)題。保護(hù)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(gè)極性保護(hù)整流器，如圖8所示。極性保護(hù)整流器應(yīng)該有足夠的正向額定電流及正向浪涌和反向電壓性能。

圖8：次級(jí)保護(hù)電路。

汽車(chē)電源線的次級(jí)保護(hù)

汽車(chē)系統(tǒng)中保護(hù)電路的初級(jí)對(duì)象是高浪涌電壓，但是被鉗位的電壓仍然很高。因此，在24V動(dòng)力總成中的次級(jí)保護(hù)特別重要，比如卡車(chē)和貨車(chē)中的動(dòng)力總成。其主要原因是因?yàn)榇蠖鄶?shù)穩(wěn)壓器和DC-DC轉(zhuǎn)換器IC的最大輸入電壓是45V~60V。對(duì)于此類(lèi)應(yīng)用，建議使用圖9中的次級(jí)保護(hù)。

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(jí)保護(hù)。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(fù)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(shí)的電壓)條件下為11.4V。計(jì)算公式為：VL=(Vmin/(Vmin/IL))×((Vmin/IL)–R)，其中，VL為負(fù)載電壓，Vmin為最小輸入電壓，IL為負(fù)載電流，R為電阻阻值，R的額定功率=I2R。

對(duì)于大多數(shù)穩(wěn)壓器和DC/DC轉(zhuǎn)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(chē)系統(tǒng)中非常重要的考慮因素，但這些內(nèi)容不在本文的討論范圍之內(nèi)。