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汽車應用中新增瞬態電壓抑制功能

作者:Diodes 公司汽車應用工程師 Isaac Sibson

 

在設計、生產或維修環境中使用過整合式電子裝置的人員,都對防靜電或靜電放電 (ESD) 腕帶相當熟悉,並且知道其目的是在將 IC 插入 PCB 之前或之後為 IC 提供保護。製造商完全瞭解靜電放電 (ESD) 可能在生產期間和之後造成的損壞。同樣,由自然現象 (例如雷擊) 以及電氣操作環境人為產生的瞬態電壓所導致的持續威脅,在工業和汽車產業等惡劣環境中尤其明顯。單一瞬態可能輕易損壞或破壞敏感的電子元件,而即使是適度能量的雜訊 (不需要的訊號),也可能導致數位通訊傳輸的嚴重中斷。

只要高電壓存在時,瞬態都可能以瞬間或連續突波的形式發生,並且可以不受干擾地透過 PCB 線路和纜線傳播。瞬間突波很容易達到 3kV,並且通常會發生在電感負載切換的簡單操作,例如繼電器操作或馬達啟動、停止等時機。由於大多數現代 IC 是在低 DC 電壓下進行操作,因此瞬態電壓是積體電路和數位訊號的常見威脅,且存在於所有領域的產品應用中。

 

對抗電壓突波

瞬態電壓抑制器 (TVS) 是一種固態裝置,旨在為瞬態電壓提供低阻抗路徑,但在其他時間則提供高阻抗路徑。這樣可以使供應電壓和訊號如預期運作,但幾乎可以立即安全限制任何高電壓,以保護敏感元件。

 

TVS 實際上是 PN 接面二極體,旨在陰極上的電位超過預定位準時進入突崩模式。選擇的位準將取決於應用狀況,但關鍵特性是該接面會在不到一奈秒內盡快擊穿。它通常會放置於與兩端負載並聯的下列位置上:0V 和電源軌之間、接地和單端訊號之間,或者穿過一對差分訊號。

 

TVS 可能類似於齊納二極體,但操作原理略有不同。齊納二極體的設計可在擊穿模式下,以準確定義的電壓重複持續運作,以提供穩定的參考或作為限制器。該二極體預期可一直在大於電壓上限的電壓中,以此模式運作,並且能夠承受流經該電壓的適度連續電流。另一方面,TVS 並非設計為可以在任何時間持續導電。反之,其設計目的是要能快速分解,並在較短的時間內吸收更高的能量,這與突波或瞬態電壓的分佈相同。

 

雖然通常將齊納二極體指定在特定的電壓位準上,但是 TVS 將根據標稱工作電壓進行指定。例如,這代表如要保護在 3.3V 運作的微控制器,可以使用 3.3V 的 TVS。在這種情況下,指定的實際參數是反向工作電壓 (VRWM),其定義為保證裝置不超過最小指定漏電流的電壓 (例如,少於 10µA)。換句話說,VRWM 是 TVS 對電路其餘部分的影響可忽略不計的電壓。  

 

相關的擊穿電壓參數 (VBR) 是裝置將以最少的指定電流 (例如 10mA) 進行傳導的點。

關鍵理解如下:

VRWM 為保證低於 IR (例如 1-10µA) 的傳導

VBR 以 IT (例如 10mA) 進行測量

   

1TVS 的設計操作原理與齊納二極體不同,並且週期更短

 

如圖 1 中的虛線所示,VBR 可以具有容差,因此考量受保護電路的這種變化非常重要。裝置的峰值脈衝功耗 (PPK) 限制可以在 TVS 的傳輸特性上找到,如圖 2 所示。傳輸曲線與 PPK 相交的點表示該裝置的最大箝制電壓 (VC) 和最大峰值電流 (IPP)。

2:典型 TVS 的傳輸特性

 

脈衝長度是重要的考量因素,因為這決定要吸收的能量數量。標準持續時間和振幅脈衝在國際標準中定義,包括 IEC 61000 和 IEC 61643。前者涵蓋快速突波,例如由 ESD 放電和雷擊引起的突波,並在功率曲線上定義兩個相關的點:8µs (t1) 和 20µs (t2),一般稱為 8/20。後者標準處理具有較高能量位準的較慢突波,例如由電感負載產生的突波。此標準時間間隔為 10/1000,等於 10µs (t1) 和 1000µs (t2)。這些數字係用於定義 TVS 效能,如圖 3 所示。請注意,t2 是從 0 開始的總經過時間。

 

3:上圖顯示如何使用點 t1 t2 定義尖峰中的能量,而下圖則顯示 IEC 標準定義的突波形狀。陰影區域代表脈衝能量。

 

 

車用 TVS

大多數汽車中的主要電壓軌系統,是交流發電機的整流輸出所產生的 12V DC,由於該交流發電機為電感式,因此也是瞬態電壓的潛在來源。隨著汽車中的功能變得日趨自動化,這些功能也包括越來越多的小型馬達,用來為後視鏡、車窗和座椅等功能提供動力。此外,傳動系統的電氣化,也導致機械系統 (例如,水泵和油泵) 改由電動馬達來驅動。所有這些都代表系統上的電感負載,成為瞬態電壓的潛在來源。

 

可以理解的是,還有其他標準規範涵蓋車用環境的突波保護,包括 ISO 7637-2 和 ISO 16750。圖 4 顯示由這些標準所定義的測試脈衝形狀。

4:汽車業使用的測試脈衝表示方式

 

該電路必須證明它能夠處理圖 4 所示的每個脈衝 (這些脈衝均未依比例顯示)。為了滿足這些要求,可能需要使用分布在整個系統中的多個 TVS 裝置。例如,可能會有一個靠近交流發電機的主負載突降 TVS,該 TVS 在體積上可能會很大,並依據系統特性進行選擇 (圖 5)。剩餘的能量將需要透過每個模組內的輔助 TVS 保護來進行消耗,並且應該使用系統層級的方法來定義此需求。

 

 

 

5:汽車應用中 TVS 裝置使用位置的描述。交流發電機和穩壓器周圍的大型裝置 (1);電子模組周圍的 TVS 和反極性保護 (2);以及資料匯流排周圍的保護 (3)

 

在惡劣環境中,對應更多要消耗的能量,脈衝曲線下的面積將明顯變大。這在汽車應用中會更加明顯,而規格也反映出此一特性,特別是與前述標準中定義的尖峰對比時。

 

使用 TVS 裝置保護安全關鍵訊號

隨著現代車輛使用的模組間通訊越來越廣泛,用於 CAN,FlexRay 和 LIN 等訊號的車用標準 TVS 裝置也越來越多。這些匯流排用於在汽車模組間進行安全關鍵通訊;這些訊號可能會受到較低的能量雜訊干擾。此處的需求是要在不影響訊號頻寬的情況下保護訊號和模組。由於 CAN 和 FlexRay 為差分匯流排,因此需要雙重雙向 TVS 來保護兩條線路。

 

雙向 TVS 旨在提供保護,以防止分離軌道系統或差分訊號傳輸方案的瞬變,進而防止有關訊號的正負兩者的瞬變。這些裝置設計方式為對稱或不對稱。前者在兩個方向上提供相同的擊穿電壓位準,而後者在單一方向上具備高於另一方向的反向擊穿電壓。

 

例如,LIN 匯流排將採用非對稱雙向 TVS,因為接地變化,訊號線可能容易在 -15V 至 +24V 之間波動。

 

結論

瞬態電壓對敏感的積體電路一直是種威脅,在某些應用領域 (例如汽車),它們是不可避免的危害。TVS 的工作是針對突波、尖峰和瞬變所產生的挑戰提供保護。

 

TVS 解決方案的選擇,有很高的程度上取決於系統,因為即便是針對同一種最終產品,設計上也會有很大差異。例如 Diodes 公司等供應商,為包括消費者、產業和汽車在內的垂直產業提供廣泛的 TVS 保護,他們與設計人員密切合作,充分瞭解這些產業的系統要求,並為他們推薦客製化的 TVS 解決方案。如此,電子系統的每個部分都可以受到保護,免於遭受有害瞬變的影響,進而提供更高的可靠性和安全性。