車輛電壓保護——將電壓水平保持在限度內(nèi)

車輛中可能會短暫存在高電壓，而僅比規(guī)定電壓高出幾伏就足以損壞高度敏感的IC器件。因而針對靜電放電 (ESD)、拋負載(load dump)脈沖和瞬變提供充分保護是至關(guān)重要的。

現(xiàn)代車輛中的所有車載電子設(shè)備都連接到電池和交流發(fā)電機（圖1）。車輛交流發(fā)電機是一個三相發(fā)電機，產(chǎn)生的交流電壓通過整流二極管轉(zhuǎn)換為脈沖直流電壓，其電壓水平的波動取決于當前的功率要求，包括發(fā)電機（發(fā)動機）的速度和擋風玻璃加熱、車燈、信息娛樂系統(tǒng)等設(shè)備。

我們可以使用穩(wěn)壓器使得車載電壓和充電電壓盡可能保持恒定，并保護電氣系統(tǒng)免受過壓影響。它們基本上由大功率齊納二極管組成。

然而，根據(jù)車輛的運行狀態(tài)，許多其他電氣故障可能會給電氣系統(tǒng)帶來負擔。例如，啟動器可能會出現(xiàn) 8 到 16 V 之間的電壓波動，或者繼電器的切換和接觸引線的松動會帶來電壓顯著增加的非常短暫瞬態(tài)事件。如果不加以修正，這些瞬變將會沿著電力線傳播，導(dǎo)致單個電子元件和傳感器發(fā)生故障，或永久性損壞車輛的電子系統(tǒng)。

拋負載脈沖具有極高瞬態(tài)尖峰電壓

最大的威脅是拋負載脈沖，它會給網(wǎng)絡(luò)帶來持續(xù)數(shù)毫秒的高瞬態(tài)能量峰值。交流發(fā)電機運行時斷開電池，或者腐蝕導(dǎo)致連接不良，便會發(fā)生這些情況。然后，由于負載不足，交流發(fā)電機將車輛電氣系統(tǒng)的電壓推升至極高的水平。交流發(fā)電機具有高繞組電感，因此需要相對較長的時間（大約是 Transil 脈沖時間的一千倍以上）才可再次穩(wěn)壓調(diào)節(jié)變化的負載狀況。

圖片來源：儒卓力

圖 1：所有車載電子設(shè)備都連接到汽車電池和交流發(fā)電機

圖片來源：儒卓力

圖 2：幾乎所有車輛系統(tǒng)都使用二極管來防止過壓

ISO 7637-2標準描述了車輛電氣系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的電壓尖峰，分成五種脈沖類型（E1 到 E5），各有不同幅度和持續(xù)時間。拋負載脈沖屬于 E5類型，它們進一步劃分為未帶有集中式拋負載抑制保護的脈沖 5a（圖 3）和帶有集中式拋負載抑制保護的脈沖5b（圖 4）。

圖片來源：www.demvt.de

圖 3：未帶有集中拋負載保護的拋負載典型波形（ISO7637-2 脈沖 E5a）

圖片來源：www.demvt.de

圖 4：考慮集中拋負載保護的脈沖 5b，鉗位電壓US*因項目而異。

為了展示對拋負載的抑制保護功能，機動車輛的電子系統(tǒng)必須通過 ISO 16750 標準(ISO-16750-2 5b) 中規(guī)定的相關(guān)測試。在這種情況下，必須使用瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管，該器件將ISO-16750-2 脈沖 5b 的拋負載浪涌限制在最大鉗位電壓，從而防止損壞車輛的電子設(shè)備。

集中鉗位電壓對于其他組件過高

如果交流發(fā)電機上或交流發(fā)電機中的TVS 二極管的集中式集成鉗位電壓 US* 太高，而無法確保對下游電子元件進行充分保護，則必須使用具有較低鉗位電壓的本地TVS二極管。集中式集成 TVS二極管被旁路或短路，而不會消耗任何負載突降能量。因此，由于較早開始鉗位操作，所有拋負載能量都將在鉗位電壓較低的 TVS二極管上進行耗散。結(jié)果是對應(yīng)于 ISO 16750-2 5a 脈沖的波形（沒有集中式拋負載保護）。

由于脈沖具有特別高的能量并且可以持續(xù)長達 400 ms時間，因此需要具有高能量的 TVS 二極管。儒卓力的產(chǎn)品組合包括來自不同供應(yīng)商的一系列 TVS 二極管產(chǎn)品，用于符合 ISO 7637-2 標準的二次瞬態(tài)電壓保護（參見表格）。例如，Littelfuse 的 SLDXX 系列 TVS 二極管可提供所需的能量。它們專門設(shè)計用于防止因感性負載切換和發(fā)電機負載突降而造成損壞。這些二極管具有出色的特性，從 0 V 到 BVmin 的快速響應(yīng)時間低于1 ps，其堅固耐用的 P600 軸向引線封裝符合行業(yè)標準。

在選擇拋負載保護二極管時，需要根據(jù)特定應(yīng)用而考慮某些參數(shù)：交流發(fā)電機的內(nèi)阻 Ri 會導(dǎo)致短路電流 Ipp，而Ipp 乘以鉗位電壓 Vcl則是拋負載操作必須降低達到的數(shù)值，從而得到保護二極管必須處理的功耗數(shù)值。

本地TVS二極管區(qū)域內(nèi)的集中式鉗位電壓

另一方面，如果交流發(fā)電機中 TVS 二極管的集中式集成鉗位電壓在本地 TVS 二極管的電壓范圍內(nèi)，則應(yīng)用脈沖 5b標準，即采用具有集中式拋負載保護的方法。然后在本地 TVS 二極管上產(chǎn)生較低的拋負載功率浪涌。在這種情況下，本地TVS二極管的工作電壓應(yīng)略高于集中式鉗位電壓方案的鉗位電壓。為此，建議使用Littelfuse 系列TPSMB、TPSMC 和 TPSMD，以及 SZ1SMB、SZP6SMB、SZ1SMC 和 SZ1.5SMC產(chǎn)品。

作者：儒卓力標準產(chǎn)品銷售經(jīng)理Emilia Mance