瞬态电压抑制器(TVS)相关参数定义与解释

在设计汽车的过程中，一个主要的难题是例如控制单元、传感器、信息娱乐系统等保护电子设备，免遭出现在电源线上的有害浪涌、电压瞬态、ESD和噪声的损害。瞬态电压抑制器（TVS）是用于保护汽车电子产品的理想方案，有些参数对这些应用来说非常重要，包括功率等级、关态电压、击穿电压、最大击穿电压。下面是这些参数的定义。

　　功率等级

　　TVS的功率等级是在一定测试或应用条件下吸收浪涌的能力。10 μs/1000 μs脉冲波形（Bellcore 1089标准）的行业标准测试条件如图1所示。这个测试条件不同于TVS瞬态电压吸收能力的测试条件，吸收能力的测试采用8 μs/20 μs脉冲波形，如图2所示。

　　图1：TVS的测试波形（Bellcore 1089） 图2：TVS的波形

　　击穿电压（VBR）

　　击穿电压是器件进入雪崩击穿的电压，采用数据表上的特定电流条件下进行测试。

　　最大击穿电压（VC：钳位电压）

　　在一定的峰值脉冲电流等级下，TVS上会出现钳位电压。TVS的击穿电压是在非常低的电流下测得的，例如1mA或10mA，不同于应用条件下的实际雪崩电压。因此，半导体制造商标注的典型或最大击穿电压对应的是大电流。

　　关态工作电压（VWM）：工作时的关态反向电压

　　关态电压指的是 TVS在未击穿情况下所能承受的最高电压，是电路中在正常情况下不工作的保护器件的重要参数。在汽车里面，一些汽车电子产品的法规是根据“跳启动保护”的情况制定的。这种情况下，要求为12V的电子设备提供10分钟的23VDC电源，用36VDC电源给24VDC电子设备供电10分钟，不会损坏电路或引起误操作。因此，关态电压是用在汽车电子产品中的TVS的关键参数。

　　汽车电源线（甩负荷）的初次保护

　　电子控制单元、传感器和信息娱乐系统等汽车电子设备是连到电源线上的。这些电子产品的电源是电池和发电机，这两种电源的输出电压不稳定，易受温度、工作状态和其他条件的影响。此外，使用电磁线圈负载的汽车系统，例如燃油喷嘴、阀门、电动机，电子和混合控制器，会把ESD、尖峰噪声和其他类型的瞬态和浪涌电压引入到电源和信号线上。
什么是甩负荷？

　　当引擎开始工作，电池从电源线上断开，发电机继续为汽车的电源线输出电流，这是产生浪涌电压的最糟糕的情况。这种情况就是所说的“甩负荷”，大多数汽车制造商和行业协会都会针对这种甩负荷状态，制定最高电压、线路阻抗，和这种甩负荷状态的持续时间，如图5所示。甩负荷的源阻抗高于正常条件下瞬态测试时的阻抗，因为电池已经断开，只有发电机在向外输出电能，这时发电机的内部线圈的作用就象一个限流电阻。

　　在甩负荷过程中，需要对发电机的动态行为进行总体考虑：

　　a） 在甩负荷情况下，发电机的内部电阻主要是发电机的转速和激磁电流的函数。

　　可以通过下面的关系式计算处甩负荷测试加上发电机的内部电阻Ri

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

　　这里

　　Unom 是发电机的额定电压；

　　Nact 是转速为6000转/分钟的发电机的额定电流（ISO 8854中给出的）

　　Irated 是在相互作用的几分钟里实际的发电机转速。

　　两个大家熟知的试验模拟了这个条件：美国的ISO-7637-2 Pulse 5，和日本用于14V动力总成的JASO A-1和用于27V动力总成的JASO D-1。在这部分，我们会概括在14V动力总成中用于甩负荷的TVS应用。

　　甩负荷试验的标准和结果

　　美国的ISO-7637-2 Pulse 5和日本的JASO A-1针对14V动力总成的仿真条件如下表。

　　一些汽车制造商在ISO-7637-2 Pulse 5基础上，针对甩负荷测试采用了不同的条件。可以用下面的等式估算甩负荷TVS的峰值钳位电流。

　　峰值钳位电流的计算公式

　　IPP= （Vin– VC） ⁄ Ri

　　IPP： 峰值钳位电流

　　Vin： 输入电压

　　VC： 钳位电压

　　Ri： 线路阻抗
针对负电压瞬态和反向电源电压的保护#e#
 

　　在87V 的ISO-7637-2测试对13.5V电池，0.75Ω Ri和400ms脉冲宽度条件下，Vishay的SM5S24A的电流和电压波形，如图7A所示。

　　图7A：在ISO 7637-2测试中SM5S24A的钳位电压和电流 图7B：在ISO7637-2测试中甩负荷TVS失效情况下的钳位电压和电流

　　在图7B中，在87V的ISO-7637-2测试对13.5V电池，0.5Ω Ri和400ms脉冲宽度条件下，甩负荷TVS的钳位电压和电流失效，因为器件耗散过大。钳位电压降到接近0V，流过器件的电流达到线路阻抗随能允许的最大值。

　　在ISO-7637-2 pulse 5规定的13.5V Vbatt和400ms脉冲宽度的测试条件下，Vishay甩负荷TVS的最大钳位能力如图7C所示。为防止出现图7B中的失效情况，要非常重视TVS的最大等级。

　　针对负电压瞬态和反向电源电压的保护

　　用于汽车电子初次保护的甩负荷TVS有两类：外延型和非外延型。在反向偏置模式下，这两个产品组有相近的工作击穿特性。不同之处在于，外延性TVS在正向模式下具有低正向压降（VF）特性，非外延型TVS在同样条件下的VF相对高一些。这个特性对连到电源线上的负电压源很重要。大多数CMOS IC和LSI在反向电压特性都非常差。

　　MOSFET的栅极在-1V或更低的反向电压下也很脆弱。在反向电源输入模式中，电源线的电压域TVS VF的电压相同。这种反向偏置模式会引起电子线路的故障。EPI PAR TVS的低正向压降能够很好地解决这个问题。保护电路免受反向电源输入损害的另一个方法是在电源线中放一个极性保护整流器，如图8所示。极性保护整流器应该有足够的正向电流等级，以及正向浪涌和反向电压性能。

　　对汽车电源线进行二次保护

　　汽车系统中保护电路的首要目标是高浪涌电压，但是被钳位的电压仍然很高。因此在24V动力总成中二次保护特别重要，比如卡车和小货车里的动力总成。主要原因是大多数稳压器和DC-DC转换器IC的输入电压是45V~60V。对于此类应用，建议使用使用图9中的二次保护。
在电源线上增加电阻R可以减小瞬态电流，这样就可以使用更小功率等级的TVS做为二次保护。在电子单元中的微控制器和逻辑电路需要的电流是150mA~300mA，在-18℃下12V电池的最小输出电压是7.2V，同样条件下24V电池的最小输出电压是14.4V。在同样条件下的24V电池中，在300mA负载、R = 20 Ω的条件下电源电压是8.4 V，在R = 10 Ω和14.4V（24V电池在-18℃下的最小电压）条件下为11.4V。

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

　　VL：负载电压

　　Vmin：最小输入电压

　　IL：负载电流

　　R：电阻阻值

　　R的功率等级= I2R

　　对于大多数电压稳压器和DC/DC转换器IC，电源电压要高于最小输入电压，避免低压输入引起电路的误操作。

　　由于汽车系统中的安全和可靠是非常重要的考虑因素，这些内容不在本文的讨论范围内。