1、一种商用车电子设备电源线的瞬态抑制方法摘 要随着汽车电子技术水平的飞速发展，商用车的电子设备越来越多，汽车电子设计的一项主要挑战是保护电子设备（例如电控单元、传感器、影音娱乐系统等）免受电源线上出现的有害浪涌电压、瞬态电压、ESD 和噪声的损害。瞬态电压抑制二极管（TVS）是汽车电子保护的理想解决方案，它能以皮秒级相应速度将浪涌电压箝位限值到一个安全的电压范围内，已保护后面的电路不受损坏。本文就 TVS 在抑制电源瞬态干扰的应用进行分析。 关键词TVS；瞬态抑制；电源线；电子设备；商用车 中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0353-02
2、1. 瞬态电压抑制二极管（TVS）的介绍 1.1 TVS 的工作原理 TVS（Transient Voltage Suppressors） ，即瞬态电压抑制二极管，又称雪崩击穿二极管。它是采用标准的半导体工艺制成的具有单个 PN 结或多个 PN 结集成的器件。TVS 有单向与双向之分，单向 TVS 一般应用于直流供电电路，双向 TVS 应用于电压交变的电路。直流应用时单向TVS 反向并联于电路中，当电路正常工作时，它处于截止状态（高阻态） ，不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到其（雪崩）击穿电压时，TVS 迅速由高阻态突变为低阻态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电
3、压箝位在一个安全水平之内，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，TVS 阻值又恢复为高阻态。其工作原理如图 1 所示 1.2 TVS 的特性参数： TVS 的电路符号与普通稳压二极管相同。它的正向特性与普通二极管相同；反向特性为典型的 PN 结雪崩器件。图 2 为单向 TVS 管的伏安特性曲线，双向 TVS 管可以等效为两个单向 TVS 管背靠背串联。下面对 TVS主要参数进行说明。 最大反向漏电流 IR 和额定反向关断电压 VRWM：VRWM 是 TVS 最大连续工作的直流或脉冲电压，当加在 TVS 的两极间的电压值小于这个反向电压时，TVS 处于反向关断状态，流过它的电
4、流相应小于或等于其最大反向漏电流 IR。因此 VRWM 应大于被保护电路的正常工作电压，否则 TVS 将会不断截止回路电压；但它又需要与被保护电路的正常工作电压接近，这样才不会使 TVS 后面的电路面对过压威胁。在商用车 24V 电源系统中，要求电子设备可承受 36V/10min 的过电压，而不损坏电路或者引起电路故障，这是在选择 VRWM 时需考虑的重要因素。 最小击穿电压 VBR 和击穿电流 IT：VBR 是 TVS 最小的击穿电压。25时，低于这个电压，TVS 是不导通的；当电压增大至 VBR 时，TVS 进入雪崩（反向导通） ，此时 TVS 流过的电流为 IT。按 TVS 的 VBR
5、与标准值的离散程度，可把 TVS 分为5%和10%两种。对于5%的 VBR 来说，VRWM=0.85VBR；对于10% 的 VBR 来说，VRWM=0.81VBR。 最大箝位电压 VC 和最大峰值脉冲电流 IPP：当 TVS 管承受瞬态高能量冲击时，管子中流过大电流，峰值为 IPP，端电压由 VRWM 值上升到 VC值就不再上升了，从而实现了保护作用。浪涌过后，随时间 IPP 以指数形式衰减，当衰减到一定值后，TVS 两端电压由 VC 开始下降，恢复原来状态。最大箝位电压 VC 与击穿电压 VBR 之比称箝位因子 Cf，表示为 Cf= VC /VBR，一般箝位因子仅为 1.21.4。VC 和
6、IPP 反映了 TVS 抑制浪涌的能力，VC 是在浪涌冲击时 TVS 箝位的最大电压，也就是 TVS 提供的最大保护电压，它不能大于被保护电路的可承受极限电压，否则器件将面临被损伤的危害。 额定功率（Pppm）：Pppm 是 TVS 能承受的最大峰值脉冲耗散功率，计算公式为 Pppm=VC?IPP。在给定的最大箝位电压下，Pppm 越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗 Pppm 下，TVS 所能承受的峰值脉冲电流 IPP，随着最大箝位电压 VC 的降低而增加。TVS 的额定功率除了和峰值脉冲电流和箝位电压有关外，还和脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。 另外，TVS 所能承受的瞬态脉
7、冲是不重复的，根据 TVS 器件规定（Bellcore 1089 标准，10s/1000s 脉冲波形） ，脉冲重复频率（持续时间与间歇时间之比）为 0.01%，如不符合这一条件，脉冲功率的积累有可能使 TVS 烧毁，在设计时应注意这一点。试验证明，TVS 安全工作于10000 次脉冲后，其最大允许脉冲功率仍为原值的 80%以上。 2. 汽车电子电源线的保护 汽车电子设备（电子控制单元、传感器和信息娱乐系统等）其电源线均来自连接于整车的蓄电池及发电机，这两种电源的输出电压都不能保持稳定，容易受工作状态、温度和其他条件影响。此外，整车上的其他燃油喷射系统、电磁阀、雨刮电机、空调风机等电磁线圈类负载
8、，会产生很高的尖峰脉冲电压和其他类型的瞬态和浪涌电压引入到电源和信号线上，如能量不能被吸收，就可能对设备造成永久性损害。因此，汽车设计中必须保护电子设备免受电源线上出现的有害浪涌电压、瞬态电压、ESD 和噪声的损害。瞬态电压抑制器（TVS）是汽车电子保护的理想方案，下面主要介绍 TVS 在汽车电源线中的初级保护和次级保护应用。 2.1 汽车电源线的初级保护（抛负载） 一般来说，对车载设备最严酷的考验是，当交流发电机产生充电电流时，断开与蓄电池的连接，其他负载仍然与发电机保持连接，此时，由于输出的电流不会突变，将会在电源线上感生出很高的浪涌电压。这种情况称为“抛负载” ，一般用 ISO7637-
9、2 的脉冲 5 来模拟这种情形，如图 3 所示。 抛负载的电源阻抗会高于正常瞬态测试时的电源阻抗，因为电池断开而只有发电机在向外输出电能，这时交流发电机的内部线圈相当于一个限流电阻。在抛负载情况下，交流发电机内阻主要是交流发电机转速和励磁电流的函数。 抛负载测试脉冲发生器内阻 Ri 的计算式是： Ri=（10UnomNact）/（0.8Irated12000r/min） （根据 ISO 8854） 其中，Unom交流发电机的额定电压， Nact交流发电机的实际转速（单位 r/min） ， Irated交流发电机转速为 6000r/min 时的额定电流。 常用的商用车交流发电机的额定电压 Uno
10、m=27V，额定电流Irated=70A，发电机在转速为 6000r/min 时达到额定输出电压及电流，此时的发电机内阻根据公式计算为 Ri2.4。 抛负载脉冲能量是 TVS 选型的重要参数，其计算式为： We=（Uo）2 RLtd/ （ Ri+ RL）24.6） （根据 ISO 7637-2） 其中，Uo开路输出电压， Ri脉冲发生器的电源内阻， RL脉冲发生器的负载电阻， td0.1Us 至 0.1Us 的脉冲宽度， We单脉冲的能量容量。 用于汽车电子抛负载初级保护的 TVS 有两类：外延型和非外延型。在反偏模式下，这两组产品具有相似的击穿工作特性。不同之处在于在正向模式下，外延型 TV
11、S 具有低正向压降（VF）特性，非外延型 TVS 在相同条件下 VF 相对较高。在反向电源输入模式中，电源线电压与 TVS VF的电压相同，这种反偏模式会引起电子线路故障，外延型 TVS 的低正向压降能够很好地解决这个问题，如图 4 所示。 2.2 汽车电源线的次级保护 汽车系统中保护电路的初级对象是高浪涌电压，但是被钳位的电压仍然很高。因此，在商用车电源系统中（24V）的次级保护特别重要。其主要原因是因为大多数稳压芯片和 DC-DC 转换芯片的最大输入电压是40V50V。对于此类应用，建议使用图 5 中的次级保护。 在电源线上增加电阻 R 可以减小瞬态电流，这样就可以使用更小额定功率的 TV
12、S 作为次级保护。电子单元中的微控制器和逻辑电路需要的电流为 100mA300mA，在-18下 24V 电池的最小输出电压为 18V。假设蓄电池输出为 18V，电子部件负载电流为 300mA，在 R=20 时，次级输入电压为 12V；在 R=40 时，次级输入电压为 6V。计算公式为：VL=Vmin?CILR， 其中，VL 为次级输入电压，Vmin 为最小输入电压，IL 为负载电流，R 为限流电阻阻值，R 的额定功率=I2R。 大多数汽车电子部件内部的稳压芯片和 DC/DC 转换芯片的输出电压为 5V，其要求的最低输入电压约为 6V7V，若低于此电压，则电源转换芯片将不能输出稳定的 5V 电压
13、，电子部件将无法正常工作，因此要求次级输入电压必须高于电源芯片的最小输入电压。同时限流电阻 R 的选择要注意功率参数需满足电路要求。 3. 结语 本文详细介绍了 TVS 的特性参数、应用特点、典型应用，并从整车电源线的初级保护及次级保护两个方面探讨了如何使用 TVS 的措施，对电路保护设计工程师合理高效应用 TVS 进行电路保护设计具有一定参考价值。 参考文献 1 GB/T 21437.2 /ISO7637-2 道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰第 2 部分：沿电源线的电瞬态传导. 2 ISO 16750道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验第 2 部分：电气负荷. 3 ISO 8854道路车辆带调节器交流发电机试验方法.
