用于汽车电子系统保护的瞬态电压抑制器TVS

中心议题：

• 用于汽车电子保护的TVS参数分析
• TVS应用于汽车电子的保护方案

解决方案：

• TVS用于汽车电源线的初级保护
• TVS针对负向瞬态电压和反向电源电压的保护
• TVS用于汽车电源线的次级保护

汽车设计的一项主要挑战是保护电子设备(例如控制单元、传感器和信息娱乐系统)免受电源线上出现的有害浪涌电压、瞬态电压、ESD和噪声的损害。瞬态电压抑制器(TVS)是汽车电子保护的理想方案，其某些参数对这些应用来说非常重要，包括额定功率、断态电压、击穿电压、最大击穿电压。下面是这些参数的定义。

额定功率

TVS的额定功率是在一定测试或应用条件下吸收浪涌的能力。10μs/1000μs脉冲波形的工业标准测试条件(Bellcore 1089标准)如图1所示。这个测试条件不同于8μs/20μs脉冲波形的TVS瞬态电压吸收能力测试条件，如图2所示。

击穿电压(VBR)

击穿电压是器件进入雪崩击穿的电压，在数据表上的特定电流条件下对其进行测试(图3)。

最大击穿电压(VC：钳位电压)

在特定的峰值脉冲电流定额下，TVS上会出现钳位电压。TVS的击穿电压在非常小的电流下测得(例如1mA或10mA)，它不同于应用条件下的实际雪崩电压。因此，半导体制造商所标注的是在大电流下的典型或最大击穿电压。

断态电压(VWM)：反向断态工作电压

断态电压指的是TVS在未击穿情况下所能承受的最高电压，它是在正常情况下不工作电路中保护器件的重要参数。在汽车中，一些汽车电子产品规范是根据“跳线跨接起动保护”的情况制定的。这种情况要求为12V类型电子设备提供10分钟24VDC，或为24V类型电子设备提供10分钟36VDC，而不损坏电路或者引起电路故障。因此，断态电压是汽车电子产品中TVS的一项关键参数。

汽车电源线初级保护(甩负荷)

电子控制单元、传感器和信息娱乐系统等汽车电子设备连接在一根电源线上(图4)。这些电子产品的电源是电池和交流发电机，这两种电源的输出电压都不稳定，容易受温度、工作状态和其他条件影响。此外，使用燃油喷射系统、阀、电机、电气和水解控制器等电磁线圈负载的汽车系统，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。

图4：典型的汽车电源线。

什么是甩负荷？

最糟糕的浪涌电压发生在引擎运转时电池断开，交流发电机为汽车电源线提供电流时，这种情况就是所说的“甩负荷”。大多数汽车制造商和工业协会都会为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。甩负荷的电源阻抗会高于正常瞬态测试时的电源阻抗，因为电池断开而只有发电机在向外输出电能，这时交流发电机的内部线圈相当于一个限流电阻。

图5：甩负荷过程中交流发电机的输出电压。

在甩负荷过程中，需要对交流发电机的动态性能进行总体考虑：在甩负荷情况下，交流发电机内阻主要是交流发电机转速和励磁电流的函数。计算甩负荷测试脉冲发生器内阻Ri的关系式是：Ri=(10×Unom×Nact)/(0.8×Irated×12,000min-1),这里，Unom是交流发电机的额定电压，Irated是交流发电机转速为6000min-1时的额定电流(ISO 8854给出)，Nact是以min-1为单位的实际交流发电机转速。

两个熟知的试验模拟了这个条件：针对14V动力总成的美国ISO-7637-2 Pulse 5和日本JASO A-1和针对27V动力总成的JASO D-1。在本节中，我们将回顾在14V动力总成中用于甩负荷的TVS应用。

甩负荷试验规范和结果

针对14V动力总成的美国ISO-7637-2 Pulse 5和日本JASO A-1测试仿真见表1及图6。

表1：JASO A-1和ISO-7637-2 Pulse 5测试仿真条件。

图6：针对ISO-7637-2测试条件，标准的VS和Ri取值范围分别为65V~87V和0.5Ω~4Ω。

一些汽车制造商针对基于ISO-7637-2 Pulse 5的甩负荷测试采用了不同的条件。估算甩负荷TVS的峰值钳位电流的公式为IPP=(Vin–VC)/Ri，其中，IPP为峰值钳位电流，Vin为输入电压，VC为钳位电压，Ri为线路阻抗。

在87V电源电压(Vs)、13.5V电池电压(Vbatt.)、0.75Ω Ri和400ms的ISO-7637-2测试中，Vishay公司SM5S24A电流和电压波形如图7A所示。

在图7B中，在87V VS、13.5V Vbatt.，0.5Ω Ri和400ms脉宽的ISO-7637-2测试中，甩负荷TVS的钳位电压和电流失效，因为器件耗散过大。钳位电压下降到接近于0，而流过器件的电流上升到线路阻抗允许的最大值。

在具有13.5V Vbatt和400ms脉宽的ISO-7637-2 pulse 5测试条件下，Vishay甩负荷TVS的最大钳位性能如图7C所示。为防止出现图7B中的失效，需要充分考虑TVS的最大定额。

图7A：ISO 7637-2测试中SM5S24A的钳位电压和电流。图7B：ISO 7637-2测试中甩负荷TVS失效情况下的钳位电压和电流。图7C：ISO 7637-2测试中Vishay甩负荷TVS的最大钳位性能。

针对负向瞬态电压和反向电源电压的保护

用于汽车电子初级保护的甩负荷TVS有两类：外延型和非外延型。在反偏模式下，这两组产品具有相似的击穿工作特性。不同之处在于，外延型TVS在正向模式下具有低正向压降(VF)特性，非外延型TVS在相同条件下VF相对较高。这个特性对加在电源线上的反向电压很重要。大多数CMOS IC和大规模集成电路(LSI)的反向电压特性都很差。

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，电源线电压与TVS VF的电压相同。这种反偏模式会引起电子线路故障。外延型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种方法是在电源线上使用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额定电流及正向浪涌和反向电压性能。

图8：次级保护电路。

汽车电源线的次级保护

汽车系统中保护电路的初级对象是高浪涌电压，但是被钳位的电压仍然很高。因此，在24V动力总成中的次级保护特别重要，比如卡车和货车中的动力总成。其主要原因是因为大多数稳压器和DC-DC转换器IC的最大输入电压是45V~60V。对于此类应用，建议使用图9中的次级保护。

图9：反偏状态。

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额定功率的TVS作为次级保护。电子单元中的微控制器和逻辑电路需要的电流为150mA~300mA，在-18℃下12V电池的最小输出电压为7.2V，同样条件下，24V电池的最小输出电压为14.4V。同样条件的24V电池中，在300mA负载、R=20Ω的条件下电源电压为8.4V，在R=10Ω和14.4V的最低电压(24V电池在-18℃时的电压)条件下为11.4V。计算公式为：VL=(Vmin/(Vmin/IL))×((Vmin/IL)–R)，其中，VL为负载电压，Vmin为最小输入电压，IL为负载电流，R为电阻阻值，R的额定功率=I2R。

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

安全性和可靠性也是汽车系统中非常重要的考虑因素，但这些内容不在本文的讨论范围之内。