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汽车应用中新增瞬态电压抑制功能

作者:Diodes 公司汽车应用工程师 Isaac Sibson

 

在设计、生产或维修环境中使用过整合式电子装置的人员,都对防静电或静电放电 (ESD) 腕带相当熟悉,并且知道其目的是在将 IC 插入 PCB 之前或之后为 IC 提供保护。制造商完全了解静电放电 (ESD) 可能在生产期间和之后造成的损坏。同样,由自然现象 (例如雷击) 以及电气操作环境人为产生的瞬态电压所导致的持续威胁,在工业和汽车产业等恶劣环境中尤其明显。单一瞬态可能轻易损坏或破坏敏感的电子组件,而即使是适度能量的噪声 (不需要的讯号),也可能导致数字通讯传输的严重中断。

只要高电压存在时,瞬态都可能以瞬间或连续突波的形式发生,并且可以不受干扰地透过 PCB 线路和缆线传播。瞬间突波很容易达到 3kV,并且通常会发生在电感负载切换的简单操作,例如继电器操作或马达启动、停止等时机。由于大多数现代 IC 是在低 DC 电压下进行操作,因此瞬态电压是集成电路和数字讯号的常见威胁,且存在于所有领域的产品应用中。

 

对抗电压突波

瞬态电压抑制器 (TVS) 是一种固态装置,旨在为瞬态电压提供低阻抗路径,但在其他时间则提供高阻抗路径。这样可以使供应电压和讯号如预期运作,但几乎可以立即安全限制任何高电压,以保护敏感组件。

 

TVS 实际上是 PN 接面二极管,旨在阴极上的电位超过预定位准时进入突崩模式。选择的位准将取决于应用状况,但关键特性是该接面会在不到一纳秒内尽快击穿。它通常会放置于与两端负载并联的下列位置上:0V 和电源轨之间、接地和单端信号之间,或者穿过一对差分信号。

 

TVS 可能类似于齐纳二极管,但操作原理略有不同。齐纳二极管的设计可在击穿模式下,以准确定义的电压重复持续运作,以提供稳定的参考或作为限制器。该二极管预期可一直在大于电压上限的电压中,以此模式运作,并且能够承受流经该电压的适度连续电流。另一方面,TVS 并非设计为可以在任何时间持续导电。反之,其设计目的是要能快速分解,并在较短的时间内吸收更高的能量,这与突波或瞬态电压的分布相同。

 

虽然通常将齐纳二极管指定在特定的电压位准上,但是 TVS 将根据标称工作电压进行指定。例如,这代表如要保护在 3.3V 运作的微控制器,可以使用 3.3V 的 TVS。在这种情况下,指定的实际参数是反向工作电压 (VRWM),其定义为保证装置不超过最小指定漏电流的电压 (例如,少于 10µA)。换句话说,VRWM 是 TVS 对电路其余部分的影响可忽略不计的电压。  

 

相关的击穿电压参数 (VBR) 是装置将以最少的指定电流 (例如 10mA) 进行传导的点。

关键理解如下:

VRWM 为保证低于 IR (例如 1-10µA) 的传导

VBR 以 IT (例如 10mA) 进行测量

   

1TVS 的设计操作原理与齐纳二极管不同,并且周期更短

如图 1 中的虚线所示,VBR 可以具有容差,因此考虑受保护电路的这种变化非常重要。装置的峰值脉冲功耗 (PPK) 限制可以在 TVS 的传输特性上找到,如图 2 所示。传输曲线与 PPK 相交的点表示该装置的最大箝制电压 (VC) 和最大峰值电流 (IPP)。

2:典型 TVS 的传输特性

 

脉冲长度是重要的考虑因素,因为这决定要吸收的能量数量。标准持续时间和振幅脉冲在国际标准中定义,包括 IEC 61000 和 IEC 61643。前者涵盖快速突波,例如由 ESD 放电和雷击引起的突波,并在功率曲线上定义两个相关的点:8µs (t1) 和 20µs (t2),一般称为 8/20。后者标准处理具有较高能量位准的较慢突波,例如由电感负载产生的突波。此标准时间间隔为 10/1000,等于 10µs (t1) 和 1000µs (t2)。这些数字系用于定义 TVS 效能,如图 3 所示。请注意,t2 是从 0 开始的总经过时间。

3:上图显示如何使用点 t1 t2 定义尖峰中的能量,而下图则显示 IEC 标准定义的突波形状。阴影区域代表脉冲能量。

 

车用 TVS

大多数汽车中的主要电压轨系统,是交流发电机的整流输出所产生的 12V DC,由于该交流发电机为电感式,因此也是瞬态电压的潜在来源。随着汽车中的功能变得日趋自动化,这些功能也包括越来越多的小型马达,用来为后视镜、车窗和座椅等功能提供动力。此外,传动系统的电气化,也导致机械系统 (例如,水泵和油泵) 改由电动马达来驱动。所有这些都代表系统上的电感负载,成为瞬态电压的潜在来源。

 

可以理解的是,还有其他标准规范涵盖车用环境的突波保护,包括 ISO 7637-2 和 ISO 16750。图 4 显示由这些标准所定义的测试脉冲形状。

4:汽车业使用的测试脉冲表示方式

 

该电路必须证明它能够处理图 4 所示的每个脉冲 (这些脉冲均未依比例显示)。为了满足这些要求,可能需要使用分布在整个系统中的多个 TVS 装置。例如,可能会有一个靠近交流发电机的主负载突降 TVS,该 TVS 在体积上可能会很大,并依据系统特性进行选择 (图 5)。剩余的能量将需要透过每个模块内的辅助 TVS 保护来进行消耗,并且应该使用系统层级的方法来定义此需求。

 

 

 

5:汽车应用中 TVS 装置使用位置的描述。交流发电机和稳压器周围的大型装置 (1);电子模块周围的 TVS 和反极性保护 (2);以及数据总线周围的保护 (3)

 

在恶劣环境中,对应更多要消耗的能量,脉冲曲线下的面积将明显变大。这在汽车应用中会更加明显,而规格也反映出此一特性,特别是与前述标准中定义的尖峰对比时。

 

使用 TVS 装置保护安全关键讯号

随着现代车辆使用的模块间通讯越来越广泛,用于 CAN,FlexRay 和 LIN 等讯号的车用标准 TVS 装置也越来越多。这些总线用于在汽车模块间进行安全关键通讯;这些讯号可能会受到较低的能量噪声干扰。此处的需求是要在不影响讯号带宽的情况下保护讯号和模块。由于 CAN 和 FlexRay 为差分总线,因此需要双重双向 TVS 来保护两条线路。

 

双向 TVS 旨在提供保护,以防止分离轨道系统或差分讯号传输方案的瞬变,进而防止有关讯号的正负两者的瞬变。这些装置设计方式为对称或不对称。前者在两个方向上提供相同的击穿电压位准,而后者在单一方向上具备高于另一方向的反向击穿电压。

 

例如,LIN 总线将采用非对称双向 TVS,因为接地变化,讯号线可能容易在 -15V 至 +24V 之间波动。

 

结论

瞬态电压对敏感的集成电路一直是种威胁,在某些应用领域 (例如汽车),它们是不可避免的危害。TVS 的工作是针对突波、尖峰和瞬变所产生的挑战提供保护。

 

TVS 解决方案的选择,有很高的程度上取决于系统,因为即便是针对同一种最终产品,设计上也会有很大差异。例如 Diodes 公司等供货商,为包括消费者、产业和汽车在内的垂直产业提供广泛的 TVS 保护,他们与设计人员密切合作,充分了解这些产业的系统要求,并为他们推荐客制化的 TVS 解决方案。如此,电子系统的每个部分都可以受到保护,免于遭受有害瞬变的影响,进而提供更高的可靠性和安全性。