解决汽车负载突降难题，选择合适的TVS器件

/ 导读 /

保护易受负载突降条件影响的电子系统是汽车应用面临的一大挑战，无论是燃油车，还是电动汽车（EV）。汽车工程师除了处理有害的负载突降，同时还要遵守许多行业和制造商的特定标准，这通常要借助于瞬态电压抑制器（TVS，也叫TVS二极管）来实现。



我们来看看汽车应用遇到的负载突降挑战；TVS器件有哪些特性，如何将高能瞬态电压安全地从电子电路分流出去；以及怎样选择处理负载突降条件的TVS器件。

1  汽车为什么易发负载突降？

负载突降是电力电子系统中一种电压过冲和下冲情况，也是车辆中最常见的现象。当系统瞬态施加和断开大负载时，就会受到内部感应、过高能量瞬变的影响。

负载突降的具体原因包括：蓄电池连接不牢，反复断开、连接并从交流发电机上断开时；电池完全放电时；交流发电机充电时断开电池（负载）。这就是人们常说的“抛负载”，这时瞬态过冲电压可以达到100伏以上，并且在极低的电源阻抗下，持续时间可以从10到100毫秒。这些负载突降浪涌瞬变如果不加阻尼，会对车辆中的电子系统（如ECU、处理器）造成严重损坏。

在典型的12伏汽车系统中，负载突降并不少见。例如，腐蚀或松动的蓄电池接头、电缆在行驶过程中可能会因振动而断断续续；也可能是在跨接启动后引起负载突降。


常见负载突降情况

在这些情况下，车辆电源可能在车辆运行时不断连接或断开，从而导致瞬态负载产生过电压状况。从负载突降条件和产生的波形可以看出其上下电压尖峰都很高。电气化运输系统，如电动汽车也会有类似的情况发生，必须加以防范。


汽车应用的瞬态和喘振情况

随着工艺几何尺寸的减小和工作电压的降低，汽车电子系统变得越来越敏感。因此，超过数据表最大工作规范的瞬变和浪涌比以往任何时候都更有可能导致组件或模块故障。

通常取决于地区、特定汽车制造商和应用用例，有许多与汽车相关的TVS器件应用规范和测试条件。但在许多现代汽车和运输设备应用中，需要遵守的保护规范有很多，船舶、卡车、公共汽车、EV/HEV、飞机、军用、重型建筑设备、ATV等都有特定要求。许多行业规范属于EN、ISO和SAE汽车标准。此外，许多汽车制造商还有自己的规范，如宝马、克莱斯勒、日产和沃尔沃等。

2  什么是电压瞬变？

电压瞬变是电能的短时浪涌，是先前通过其他方式（如重电感负载或雷电）存储或感应的能量突然释放的结果。在电气或电子电路中，这种能量可以通过受控的开关动作以可预测的方式释放，也可以从外部电源随机引入电路中。

可重复的瞬变经常由电机、发电机的运行或无功电路元件的切换引起；随机瞬变通常由雷电和静电放电（ESD），会有上述断电情况引起。雷电和ESD的发生通常不可预测，需要精心监控才能准确测量，特别是在电路板级感应的情况下。许多电子标准组织已经使用公认的监测或测试方法分析了瞬态电压的发生，瞬变的关键特性如下表所示。


瞬变源和等级示例

瞬变现象之所以越来越受到关注，是由于元件小型化导致对电应力的敏感性不断增加。例如，微处理器的结构和导电路径无法处理瞬变产生的高电流。这些元件在极低的电压下工作，因此必须控制电压干扰，以防止器件中断和潜在的或灾难性的故障。各种组件技术的易损性如下表所示。


器件易损电压范围

现在大多数车辆除了采用微处理器来提高功能和效率外，还使用多种电子系统来控制发动机、气候、制动，在某些情况下还包括转向、牵引和安全系统。汽车中的许多子部件或支撑部件（如电机或附件）对整个系统构成了瞬变威胁。因此，电路设计不仅要考虑环境因素，还要考虑这些相关元件的潜在影响。

3  TVS器件特性几何？

TVS器件是专门用来保护敏感电子元件免受高压瞬变的电子元件。它是由专门设计的p-n半导体结构成的，用于浪涌保护。p-n结通常涂有涂层，以防止在非导电状态下过早产生电压电弧。当发生瞬态电压事件时，TVS器件利用雪崩效应对瞬态电压（高达数百伏）进行箝位，同时吸收高达数千瓦的浪涌功率。TVS器件广泛应用于汽车、电信、通用电子和数字消费市场的过电压电路保护装置，用于雷电、ESD和其他电压瞬变保护。

与大多数其他类型的电路保护器件相比，TVS器件能够更快地响应过电压事件，并以各种表面安装和通孔电路板安装格式提供。


二极管技术比较

“箝位”器件的功能是将电压限制在一定的水平，由于TVS器件p-n结的横截面积比普通二极管的横截面积大，使之能够将大电流传导到地，而不会造成持续的损坏。

TVS器件通常主要用于防止因电感负载切换、雷击和与数据线及电子电路传输相关的静电放电引起的电应力过大。TVS器件的特性包括：

•  低增量浪涌阻力；

•  提供单向和双向极性；

•  反向隔离电压范围为5至600V；

•  符合RoHS标准，采用无铅镀亚光锡；

•  表面安装器件额定功率从400W到5000W；

•  轴向引线器件额定功率从400W到30000W（30kW）；

•  提供6kA和10kA的大电流保护。

4  用TVS器件防止汽车负载突降

TVS器件用于保护汽车敏感电路免受ISO 7637-2和ISO 16750测试A和B中定义的浪涌（负载突降）的影响。解决负载突降问题要求器件能够安全地耗散所释放的能量，以防止对下游电子系统造成损坏。设计师需要选择能够满足各种标准规范和各汽车制造商要求的保护器件。

值得注意的是，汽车行业有非常明确的规范来防止电压尖峰。ISO7637标准定义了许多脉冲（1、2a、2b、3a和3b），这些脉冲模拟了12V和24V车辆中最常见的电压变化。目前，汽车行业已经开始转向小型TVS器件。这些低功率和短小的封装也可以防止这类脉冲。


TVS器件与ISO-7637和ISO-16750

通常，电气系统越靠近蓄电池、交流发电机、保险丝盒（配线配电系统），瞬态条件的威胁就越大。解决方案是将半导体TVS器件置于车辆系统中可能出现负载突降的地方。TVS器件基本上是优化箝位电压的专用二极管，可将瞬态电能转换为瞬态热能，且能够确保电压过冲不超过规定水平。TVS器件的另一个关键应用是防止雷击和其他类型电子系统中其他外部电压干扰引起的快速高压瞬变。

在典型汽车系统中，在瞬态或浪涌事件期间，TVS器件将电压箝制到电气系统其他部分可以安全处理的安全水平。它还可以分流足够大的能量，以限制电流源；或者在某些情况下，它将在电子断路器或保险丝能够断开之前一直保持箝位，防止进一步损坏电子系统。TVS器件可以承受极高的峰值功率，这使其成为了汽车负载突降应用的理想选择。


用TVS器件防止汽车负载突降

5  如何选择TVS器件？

选择TVS器件可以从几个方面入手：

首先，定义电路工作参数：

·  DC或AC正常工作电压类型；

·  所需器件类型；

·  单向双向正常工作电压（伏特）；

·  最大瞬态电流（Ipp）；

·  最大箝位电压（Vc）；

·  所需峰值反向浪涌额定功率；

·  产品安装类型（封装）；

·  工作温度。

其次，参考数据表，考虑关键参数：

·  反向隔离电压（VR）：VR应等于或大于被保护电路（或部分电路）的峰值工作电平，以确保TVS器件不会切断电路驱动电压。

·  峰值脉冲电流：表示TVS器件能够承受而不会损坏的最大电流。所需峰值脉冲电流只能通过将峰值瞬态电压除以电源阻抗来确定。请注意，TVS器件的故障机制是短路；如果TVS器件由于瞬态而发生故障，则电路仍将受到保护。

·  最大箝位电压：它是基于10×1000μs指数波形，在Ipp作用下TVS器件上出现的峰值电压。具体TVS器件的VC可参见每个系列的数据表。

第三，验证器件：

·  环境操作参数：确保应用的电压小于或等于器件的隔离电压，且工作温度限制在器件规定的范围内。

·  器件安装方式和尺寸：参考器件数据表中的尺寸图。

·  在实际应用中对所选器件进行测试：这一步可以请器件供应商协助进行，以确定器件的适用性。通常供应商的产品测试实验室都有必要的测试设备，能够对测试仪进行编程，以模拟每种器件规格，并可以根据各种规格车辆的要求，找到符合标准的器件。


实际应用中的脉冲条件典型测试

6  用好TVS器件

尽管大多数电子系统都需要保护来免受瞬变和浪涌的影响，但汽车系统特别容易受到来自负载突降条件和外部电压干扰的快速高压瞬变的影响。汽车设计师不仅需要保护易损的系统，还必须满足一系列令人困惑和严格的汽车标准和汽车制造商规范。

高性能TVS器件为负载突降应用提供了最佳选择。与TVS器件供应商密切合作，设计师可以加快器件的选择过程，用合适的TVS器件防范汽车负载突降的发生。