在汽車應用中,保護敏感的半導體組件免受電湧、瞬變和靜電放電 (ESD) 影響至關重要。單個瞬態電壓尖峰很容易損壞或破壞組件,而即使能量相對較低的電噪聲也會導致數字通信嚴重中斷。
在存在高電壓的任何地方,瞬態都可能以瞬時或連續浪湧的形式出現,並且可以通過 PCB 走線和電纜傳播。瞬時浪湧很容易達到 3kV,並且經常在感性負載切換時發生,例如停止電機。由於大多數現代集成電路 (IC) 都在低直流電壓下工作,因此瞬變是集成電路和數字信號的常見威脅。
為了阻止這些瞬變,一個常見的解決方案是瞬變電壓抑制器 (TVS)。本文將解釋 TVS 器件的特性,並討論如何將它們用於汽車應用。
TVS 是一種固態設備,它為瞬態電壓浪湧提供低阻抗接地路徑,但在所有其他時間提供高阻抗路徑。這允許電源電壓和信號按預期運行,沒有電流通過 TVS 路由,但幾乎立即安全地箝位任何高電壓,保護敏感組件並將多餘的浪涌路由到大地。
TVS 實際上是一個 PN 結二極管,旨在進入雪崩模式,這意味著當其陰極上的電位超過預定水平時,它可以通過非常高的電流。這個水平取決於應用,但重要的特性是結盡可能快地擊穿(不到一納秒),以便足夠快速地處理瞬態浪湧以避免損壞。 TVS 通常會與負載並聯放置在 0V 和電源軌之間、接地和單端信號之間,或者放置在差分信號對之間。
TVS 類似於齊納二極管,但設計的工作方式略有不同。 TVS 不是在相當長的時間內處理穩定電壓,而是設計為快速擊穿並在更短的時間內吸收更多的能量,這與浪湧或瞬態電壓的曲線相匹配。
汽車電視
在大多數汽車中,主電壓軌系統是 12V DC,它由交流發電機的整流和穩壓輸出以及電池供電。交流發電機是電感性的,因此是瞬態電壓的潛在來源。
隨著汽車包含更多自動化功能,它們包含更多電動機,用於為後視鏡、窗戶和座椅等功能提供動力。此外,動力傳動系統的電氣化導致諸如水泵和油泵之類的機械系統由電動機驅動。這些都代表系統上的感性負載,因此是連接和斷開負載時瞬態電壓的潛在來源。
有針對汽車環境的浪湧保護的特定標準,包括 ISO 7637-2 和 ISO 16750,而不同的國家/地區有自己的本地標準。圖 1 顯示了這兩個標准定義的 12V 電源軌上的測試脈衝形狀。
電路保護必須能夠處理圖 1 中所示的每個脈衝(脈衝未按比例顯示)。 滿足這些要求的設計可能涉及使用分佈在整個系統周圍的多個 TVS 設備。 例如,可能有一個靠近交流發電機的主要負載突降 TVS,它的物理尺寸會很大,並根據系統特性進行選擇(圖 2)。 剩餘的能量需要通過每個模塊內的補充 TVS 保護來消散,並且應該使用系統級方法來定義對此的要求。
在惡劣的環境中,與其他用例相比,脈衝曲線下方的面積會大得多,這對應於要耗散的能量更多。
這適用於可能需要處理大量能量的汽車應用。特別是,卡車和貨車等較大的車輛可能有 24V 電源軌,這意味著保護必須能夠處理更多的能量。
隨著現代車輛包含越來越多的數據通信,用於 CAN、FlexRay 和 LIN 等網絡標準的汽車級 TVS 設備的使用正在增加。這些網絡用於在汽車模塊之間進行安全關鍵通信。
這些信號可能會被能量低於瞬態浪湧的噪聲中斷。因此必須保護信號和模塊,而不影響信號帶寬。由於 CAN 和 FlexRay 是差分總線,因此它們需要雙雙向 TVS 來保護兩條線路
最簡單的 TVS 類型是單向的,用於要保護的電路區域始終為正的情況,例如 0 到 5V。單向 TVS 仍然能夠防止正瞬變和負瞬變。
相比之下,雙向 TVS 旨在提供跨分軌系統或差分信號方案的瞬變保護,以防止對信號的正負瞬變。這些器件可以是對稱的,在兩個方向上具有相同的擊穿電壓水平,也可以是不對稱的,在一個方向上具有更高的反向擊穿電壓。
例如,LIN 總線將採用非對稱雙向 TVS,因為由於接地變化,信號線很容易在 -15V 和 +24V 之間波動。車輛還可能包括高速數據總線,如 USB 和 HDMI,它們需要低電容 TVS 保護以保持數據完整性。
TVS電氣特性
TVS 是根據標稱工作電壓指定的。例如,為了保護在 3.3V 下運行的微控制器,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),定義為保證器件通過的電壓不超過最小指定洩漏電流 IR(例如,小於 10μA)。這意味著 VRWM 是 TVS 對電路其餘部分影響可忽略不計的電壓。
相關擊穿電壓參數 (VBR) 是器件將至少傳導指定最小電流 IT(例如 10mA)的點,如圖 3 所示,這是在 TVS 處的 IT 值處測得的開始強烈地進行。
如圖 3 中的虛線所示,VBR 可以在很寬的容差範圍內變化,因此考慮受保護電路的這種變化很重要。 器件的峰值脈衝功率限製或 PPK 可以在 TVS 的傳輸特性上找到,如圖 4 所示。傳輸曲線與 PPK 相交的點表示最大箝位電壓 (VC) 和最大峰值電流 (IPP) ) 的設備。
脈衝的長度決定了可以吸收的能量。 標準持續時間和幅度脈沖在國際標準中定義。 其中包括 IEC 61000,它涵蓋了快速浪湧,例如由 ESD 放電和雷擊引起的浪湧,並定義了功率曲線上的兩個相關點:8µs (t1) 和 20µs (t2) – 通常稱為 8/20。
另一個相關標準是 IEC 6164,它處理具有較高能量水平的較慢浪湧,例如由感性負載產生的浪湧。 此標準的時間間隔為 10/1000,等於 10µs (t1) 和 1000µs (t2)。 這些數字用於定義 TVS 性能,如圖 5 所示。請注意,t2 是從 0 開始經過的總時間。
結論
瞬態電壓對敏感集成電路來說是一個永遠存在的威脅,在汽車應用中它們是不可避免的。 在許多情況下,TVS 是提供浪湧、尖峰和瞬變保護的正確組件。
TVS 解決方案的選擇高度依賴於系統,因為設計差異很大,即使對於相同的最終產品也是如此。 Diodes Incorporated 提供廣泛的 TVS 保護,並與設計人員密切合作,以充分了解他們的系統要求並推薦定制的 TVS 解決方案。 這意味著可以保護車輛電子系統的每個部分免受危險瞬變的影響,從而提供更高的可靠性和安全性。
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