本文來源:智車科技

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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。

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�不加阻�?會對車輛中的電子系統(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。

在這些情況下,車輛電源可能在車輛運(yùn)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(yùn)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(yùn)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。

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(yùn)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。

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(fèi)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)。

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

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)�測試儀進(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

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。