本文來源:智車科技

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保護易受負載突降條件影響的電子系統(tǒng)是汽車應用面臨的一大挑戰(zhàn),無論是燃油車,還是電動汽車(EV)。汽車工程師除了處理有害的負載突降,同時還要遵守許多行業(yè)和制造商的特定標準,這通常要借助于瞬態(tài)電壓抑制器(TVS,也叫TVS二極管)來實現(xiàn)。

我們來看看汽車應用遇到的負載突降挑戰(zhàn);TVS器件有哪些特性,如何將高能瞬態(tài)電壓安全地從電子電路分流出去;以及怎樣選擇處理負載突降條件的TVS器件。

汽車為什么易發(fā)負載突降?

負載突降是電力電子系統(tǒng)中一種電壓過沖和下沖情況,也是車輛中最常見的現(xiàn)象。當系統(tǒng)瞬態(tài)施加和斷開大負載時,就會受到內(nèi)部感應、過高能量瞬變的影響。

負載突降的具體原因包括:蓄電池連接不牢,反復斷開、連接并從交流發(fā)電機上斷開時;電池完全放電時;交流發(fā)電機充電時斷開電池(負載)。這就是人們常說的“拋負載”,這時瞬態(tài)過沖電壓可以達到100伏以上,并且在極低的電源阻抗下,持續(xù)時間可以從10到100毫秒。這些負載突降浪涌瞬變?nèi)绻�不加阻�?會對車輛中的電子系統(tǒng)(如ECU、處理器)造成嚴重損壞。

在典型的12伏汽車系統(tǒng)中,負載突降并不少見。例如,腐蝕或松動的蓄電池接頭、電纜在行駛過程中可能會因振動而斷斷續(xù)續(xù);也可能是在跨接啟動后引起負載突降。

在這些情況下,車輛電源可能在車輛運行時不斷連接或斷開,從而導致瞬態(tài)負載產(chǎn)生過電壓狀況。從負載突降條件和產(chǎn)生的波形可以看出其上下電壓尖峰都很高。電氣化運輸系統(tǒng),如電動汽車也會有類似的情況發(fā)生,必須加以防范。

汽車應用的瞬態(tài)和喘振情況

隨著工藝幾何尺寸的減小和工作電壓的降低,汽車電子系統(tǒng)變得越來越敏感。因此,超過數(shù)據(jù)表最大工作規(guī)范的瞬變和浪涌比以往任何時候都更有可能導致組件或模塊故障。

通常取決于地區(qū)、特定汽車制造商和應用用例,有許多與汽車相關(guān)的TVS器件應用規(guī)范和測試條件。但在許多現(xiàn)代汽車和運輸設(shè)備應用中,需要遵守的保護規(guī)范有很多,船舶、卡車、公共汽車、EV/HEV、飛機、軍用、重型建筑設(shè)備、ATV等都有特定要求。許多行業(yè)規(guī)范屬于EN、ISO和SAE汽車標準。此外,許多汽車制造商還有自己的規(guī)范,如寶馬、克萊斯勒、日產(chǎn)和沃爾沃等。

什么是電壓瞬變?

電壓瞬變是電能的短時浪涌,是先前通過其他方式(如重電感負載或雷電)存儲或感應的能量突然釋放的結(jié)果。在電氣或電子電路中,這種能量可以通過受控的開關(guān)動作以可預測的方式釋放,也可以從外部電源隨機引入電路中。

可重復的瞬變經(jīng)常由電機、發(fā)電機的運行或無功電路元件的切換引起;隨機瞬變通常由雷電和靜電放電(ESD),會有上述斷電情況引起。雷電和ESD的發(fā)生通常不可預測,需要精心監(jiān)控才能準確測量,特別是在電路板級感應的情況下。許多電子標準組織已經(jīng)使用公認的監(jiān)測或測試方法分析了瞬態(tài)電壓的發(fā)生,瞬變的關(guān)鍵特性如下表所示。

瞬變源和等級示例

瞬變現(xiàn)象之所以越來越受到關(guān)注,是由于元件小型化導致對電應力的敏感性不斷增加。例如,微處理器的結(jié)構(gòu)和導電路徑無法處理瞬變產(chǎn)生的高電流。這些元件在極低的電壓下工作,因此必須控制電壓干擾,以防止器件中斷和潛在的或災難性的故障。各種組件技術(shù)的易損性如下表所示。

器件易損電壓范圍

現(xiàn)在大多數(shù)車輛除了采用微處理器來提高功能和效率外,還使用多種電子系統(tǒng)來控制發(fā)動機、氣候、制動,在某些情況下還包括轉(zhuǎn)向、牽引和安全系統(tǒng)。汽車中的許多子部件或支撐部件(如電機或附件)對整個系統(tǒng)構(gòu)成了瞬變威脅。因此,電路設(shè)計不僅要考慮環(huán)境因素,還要考慮這些相關(guān)元件的潛在影響。

TVS器件特性幾何?

TVS器件是專門用來保護敏感電子元件免受高壓瞬變的電子元件。它是由專門設(shè)計的p-n半導體結(jié)構(gòu)成的,用于浪涌保護。p-n結(jié)通常涂有涂層,以防止在非導電狀態(tài)下過早產(chǎn)生電壓電弧。當發(fā)生瞬態(tài)電壓事件時,TVS器件利用雪崩效應對瞬態(tài)電壓(高達數(shù)百伏)進行箝位,同時吸收高達數(shù)千瓦的浪涌功率。TVS器件廣泛應用于汽車、電信、通用電子和數(shù)字消費市場的過電壓電路保護裝置,用于雷電、ESD和其他電壓瞬變保護。

與大多數(shù)其他類型的電路保護器件相比,TVS器件能夠更快地響應過電壓事件,并以各種表面安裝和通孔電路板安裝格式提供。

二極管技術(shù)比較

“箝位”器件的功能是將電壓限制在一定的水平,由于TVS器件p-n結(jié)的橫截面積比普通二極管的橫截面積大,使之能夠?qū)⒋箅娏鱾鲗У降?而不會造成持續(xù)的損壞。

TVS器件通常主要用于防止因電感負載切換、雷擊和與數(shù)據(jù)線及電子電路傳輸相關(guān)的靜電放電引起的電應力過大。TVS器件的特性包括:

?低增量浪涌阻力;

?提供單向和雙向極性;

?反向隔離電壓范圍為5至600V;

?符合RoHS標準,采用無鉛鍍亞光錫;

?表面安裝器件額定功率從400W到5000W;

?軸向引線器件額定功率從400W到30000W(30kW);

?提供6kA和10kA的大電流保護。

用TVS器件防止汽車負載突降

TVS器件用于保護汽車敏感電路免受ISO 7637-2和ISO 16750測試A和B中定義的浪涌(負載突降)的影響。解決負載突降問題要求器件能夠安全地耗散所釋放的能量,以防止對下游電子系統(tǒng)造成損壞。設(shè)計師需要選擇能夠滿足各種標準規(guī)范和各汽車制造商要求的保護器件。

值得注意的是,汽車行業(yè)有非常明確的規(guī)范來防止電壓尖峰。ISO7637標準定義了許多脈沖(1、2a、2b、3a和3b),這些脈沖模擬了12V和24V車輛中最常見的電壓變化。目前,汽車行業(yè)已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向小型TVS器件。這些低功率和短小的封裝也可以防止這類脈沖。

TVS器件與ISO-7637和ISO-16750

通常,電氣系統(tǒng)越靠近蓄電池、交流發(fā)電機、保險絲盒(配線配電系統(tǒng)),瞬態(tài)條件的威脅就越大。解決方案是將半導體TVS器件置于車輛系統(tǒng)中可能出現(xiàn)負載突降的地方。TVS器件基本上是優(yōu)化箝位電壓的專用二極管,可將瞬態(tài)電能轉(zhuǎn)換為瞬態(tài)熱能,且能夠確保電壓過沖不超過規(guī)定水平。TVS器件的另一個關(guān)鍵應用是防止雷擊和其他類型電子系統(tǒng)中其他外部電壓干擾引起的快速高壓瞬變。

在典型汽車系統(tǒng)中,在瞬態(tài)或浪涌事件期間,TVS器件將電壓箝制到電氣系統(tǒng)其他部分可以安全處理的安全水平。它還可以分流足夠大的能量,以限制電流源;或者在某些情況下,它將在電子斷路器或保險絲能夠斷開之前一直保持箝位,防止進一步損壞電子系統(tǒng)。TVS器件可以承受極高的峰值功率,這使其成為了汽車負載突降應用的理想選擇。

用TVS器件防止汽車負載突降

如何選擇TVS器件?

選擇TVS器件可以從幾個方面入手:

首先,定義電路工作參數(shù):

·DC或AC正常工作電壓類型;

·所需器件類型;

·單向雙向正常工作電壓(伏特);

·最大瞬態(tài)電流(Ipp);

·最大箝位電壓(Vc);

·所需峰值反向浪涌額定功率;

·產(chǎn)品安裝類型(封裝);

·工作溫度。

其次,參考數(shù)據(jù)表,考慮關(guān)鍵參數(shù):

·反向隔離電壓(VR):VR應等于或大于被保護電路(或部分電路)的峰值工作電平,以確保TVS器件不會切斷電路驅(qū)動電壓。

·峰值脈沖電流:表示TVS器件能夠承受而不會損壞的最大電流。所需峰值脈沖電流只能通過將峰值瞬態(tài)電壓除以電源阻抗來確定。請注意,TVS器件的故障機制是短路;如果TVS器件由于瞬態(tài)而發(fā)生故障,則電路仍將受到保護。

·最大箝位電壓:它是基于10×1000μs指數(shù)波形,在Ipp作用下TVS器件上出現(xiàn)的峰值電壓。具體TVS器件的VC可參見每個系列的數(shù)據(jù)表。

第三,驗證器件:

·環(huán)境操作參數(shù):確保應用的電壓小于或等于器件的隔離電壓,且工作溫度限制在器件規(guī)定的范圍內(nèi)。

·器件安裝方式和尺寸:參考器件數(shù)據(jù)表中的尺寸圖。

·在實際應用中對所選器件進行測試:這一步可以請器件供應商協(xié)助進行,以確定器件的適用性。通常供應商的產(chǎn)品測試實驗室都有必要的測試設(shè)備,能夠?qū)�測試儀進行編程,以模擬每種器件規(guī)格,并可以根據(jù)各種規(guī)格車輛的要求,找到符合標準的器件。

實際應用中的脈沖條件典型測試

用好TVS器件

盡管大多數(shù)電子系統(tǒng)都需要保護來免受瞬變和浪涌的影響,但汽車系統(tǒng)特別容易受到來自負載突降條件和外部電壓干擾的快速高壓瞬變的影響。汽車設(shè)計師不僅需要保護易損的系統(tǒng),還必須滿足一系列令人困惑和嚴格的汽車標準和汽車制造商規(guī)范。

高性能TVS器件為負載突降應用提供了最佳選擇。與TVS器件供應商密切合作,設(shè)計師可以加快器件的選擇過程,用合適的TVS器件防范汽車負載突降的發(fā)生。