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

      發(fā)布時(shí)間:2012-01-09

      中心議題:

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

      解決方案:

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


      汽車設(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(hù)的理想方案,其某些參數(shù)對這些應(yīng)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(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)測試條件(Bellcore 1089標(biāo)準(zhǔn))如圖1所示。這個(gè)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(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其進(jìn)行測試(圖3)。

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      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(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)。在汽車中,一些汽車電子產(chǎn)品規(guī)范是根據(jù)“跳線跨接起動保護(hù)”的情況制定的。這種情況要求為12V類型電子設(shè)備提供10分鐘24VDC,或?yàn)?4V類型電子設(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)電壓是汽車電子產(chǎn)品中TVS的一項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)。

      汽車電源線初級保護(hù)(甩負(fù)荷)

      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(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_,交流發(fā)電機(jī)為汽車電源線提供電流時(shí),這種情況就是所說的“甩負(fù)荷”。大多數(shù)汽車制造商和工業(yè)協(xié)會都會為這種甩負(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)荷的電源阻抗會高于正常瞬態(tài)測試時(shí)的電源阻抗,因?yàn)殡姵財(cái)嚅_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)荷過程中交流發(fā)電機(jī)的輸出電壓。

      在甩負(fù)荷過程中,需要對交流發(fā)電機(jī)的動態(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(fù)荷的TVS應(yīng)用。
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      甩負(fù)荷試驗(yàn)規(guī)范和結(jié)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)荷測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(fù)荷TVS的鉗位電壓和電流失效,因?yàn)槠骷纳⑦^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(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測試中SM5S24A的鉗位電壓和電流。圖7B:ISO 7637-2測試中甩負(fù)荷TVS失效情況下的鉗位電壓和電流。圖7C:ISO 7637-2測試中Vishay甩負(fù)荷TVS的最大鉗位性能。

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      針對負(fù)向瞬態(tài)電壓和反向電源電壓的保護(hù)

      用于汽車電子初級保護(hù)的甩負(fù)荷TVS有兩類: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相對較高。這個(gè)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(gè)問題。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:次級保護(hù)電路。

      汽車電源線的次級保護(hù)

      汽車系統(tǒng)中保護(hù)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(hù)特別重要,比如卡車和貨車中的動力總成。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。對于此類應(yīng)用,建議使用圖9中的次級保護(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)。

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