瞬态电压抑制器(TVS)：保护汽车电子产品

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，免遭出现在电源在线的有害浪涌、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。10μs/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在线的。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在线。

什么是甩负荷？当引擎开始工作，电池从电源在线断开，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RiRi=( 10 X UnomX Nact) / ( 0.8 X IratedX 12,000min-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动力总成的模拟条件如下表。

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) ⁄ RiIPP: 峰值钳位电流Vin: 输入电压VC: 钳位电压Ri: 线路阻抗

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-7637-2pulse 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