汽車為什么易發(fā)負(fù)載突降？如何用TVS器件防止汽車負(fù)載突降

保護(hù)易受負(fù)載突降條件影響的電子系統(tǒng)是汽車應(yīng)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(fù)載突降，同時還要遵守許多行業(yè)和制造商的特定標(biāo)準(zhǔn)，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(yīng)用遇到的負(fù)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(fù)載突降條件的TVS器件。

1、汽車為什么易發(fā)負(fù)載突降？

負(fù)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(dāng)系統(tǒng)瞬態(tài)施加和斷開大負(fù)載時，就會受到內(nèi)部感應(yīng)、過高能量瞬變的影響。

負(fù)載突降的具體原因包括：蓄電池連接不牢，反復(fù)斷開、連接并從交流發(fā)電機(jī)上斷開時；電池完全放電時；交流發(fā)電機(jī)充電時斷開電池（負(fù)載）。這就是人們常說的“拋負(fù)載”，這時瞬態(tài)過沖電壓可以達(dá)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(fù)載突降浪涌瞬變?nèi)绻患幼枘幔瑫囕v中的電子系統(tǒng)（如ECU、處理器）造成嚴(yán)重?fù)p壞。

在典型的12伏汽車系統(tǒng)中，負(fù)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(fù)載突降。

常見負(fù)載突降情況

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(dǎo)致瞬態(tài)負(fù)載產(chǎn)生過電壓狀況。從負(fù)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)用用例，有許多與汽車相關(guān)的TVS器件應(yīng)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(yīng)用中，需要遵守的保護(hù)規(guī)范有很多，船舶、卡車、公共汽車、EV/HEV、飛機(jī)、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(biāo)準(zhǔn)。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。

2、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(fù)載或雷電）存儲或感應(yīng)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(yù)測的方式釋放，也可以從外部電源隨機(jī)引入電路中。

可重復(fù)的瞬變經(jīng)常由電機(jī)、發(fā)電機(jī)的運行或無功電路元件的切換引起；隨機(jī)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(yù)測，需要精心監(jiān)控才能準(zhǔn)確測量，特別是在電路板級感應(yīng)的情況下。許多電子標(biāo)準(zhǔn)組織已經(jīng)使用公認(rèn)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(dǎo)致對電應(yīng)力的敏感性不斷增加。例如，微處理器的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)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(zāi)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(jī)、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(jī)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。

3、TVS器件特性幾何？

TVS器件是專門用來保護(hù)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(dǎo)體結(jié)構(gòu)成的，用于浪涌保護(hù)。p-n結(jié)通常涂有涂層，以防止在非導(dǎo)電狀態(tài)下過早產(chǎn)生電壓電弧。當(dāng)發(fā)生瞬態(tài)電壓事件時，TVS器件利用雪崩效應(yīng)對瞬態(tài)電壓（高達(dá)數(shù)百伏）進(jìn)行箝位，同時吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率。TVS器件廣泛應(yīng)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(hù)裝置，用于雷電、ESD和其他電壓瞬變保護(hù)。

與大多數(shù)其他類型的電路保護(hù)器件相比，TVS器件能夠更快地響應(yīng)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?dǎo)到地，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(fù)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，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(hù)。

4、用TVS器件防止汽車負(fù)載突降

TVS器件用于保護(hù)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(fù)載突降）的影響。解決負(fù)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和各汽車制造商要求的保護(hù)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)、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(dǎo)體TVS器件置于車輛系統(tǒng)中可能出現(xiàn)負(fù)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(yīng)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(jìn)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(fù)載突降應(yīng)用的理想選擇。

用TVS器件防止汽車負(fù)載突降

5、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(yīng)等于或大于被保護(hù)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(jī)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(hù)。

·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(yīng)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(yīng)用中對所選器件進(jìn)行測試：這一步可以請器件供應(yīng)商協(xié)助進(jìn)行，以確定器件的適用性。通常供應(yīng)商的產(chǎn)品測試實驗室都有必要的測試設(shè)備，能夠?qū)y試儀進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)的器件。

實際應(yīng)用中的脈沖條件典型測試

6、用好TVS器件

盡管大多數(shù)電子系統(tǒng)都需要保護(hù)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(fù)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(hù)易損的系統(tǒng)，還必須滿足一系列令人困惑和嚴(yán)格的汽車標(biāo)準(zhǔn)和汽車制造商規(guī)范。

高性能TVS器件為負(fù)載突降應(yīng)用提供了最佳選擇。與TVS器件供應(yīng)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(fù)載突降的發(fā)生。

編輯：hfy