TVS在汽車拋負(fù)載應(yīng)用選型設(shè)計(jì)

TVS作為浪涌抑制器，其應(yīng)用涉及到通信與電源回路的方方面面，因?yàn)樘^普遍，很多應(yīng)用都是參考或延用過往設(shè)計(jì)，只知其保護(hù)效果而不知其根源，本章通過對(duì)于拋負(fù)載TVS選型計(jì)算展開分析，為新項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供思路，該計(jì)算方式同樣適用于工業(yè)TVS選型應(yīng)用。

TVS二極管，既瞬態(tài)抑制二極管，又叫雪崩擊穿二極管，其工作原理與核心參數(shù)在上一章TVS簡(jiǎn)介中已經(jīng)充分展開說明，有需要可以另行閱讀。

TVS的選型開始之前首先要了解一些條件： 

1. 回路最高工作電壓Vop。

2. 后級(jí)電路所能承受的最大電壓尖峰Vpk。

3. 該電路的工作頻率，直流工作可以直接無視該參數(shù)。

4. 工作電壓下電路允許的最大漏電流。

5. 所需TVS功率與脈沖時(shí)間，如果不知道該參數(shù)，可通過后面的計(jì)算設(shè)計(jì)來選型。

初步的TVS選型步驟：

1. 選擇TVS工作電壓Vr，Vr要大于Vop_max，通常選擇1.1~1.2倍。對(duì)于漏電流沒有要求的話，Vr可以等于Vop_max，甚至可以略低于，前提是漏電流不會(huì)太大而燒毀TVS。另外工作電壓也沒有上限要求，只要鉗位電壓能保證后級(jí)不被打壞即可。

2. 后級(jí)電路的耐受電壓尖峰是限定TVS工作電壓的關(guān)鍵，要求在TVS動(dòng)作時(shí)鉗位電壓要低于耐受電壓尖峰。

3. 對(duì)于信號(hào)端口高頻應(yīng)用，TVS寄生電容可能會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰變，普通600W TVS結(jié)電容會(huì)達(dá)到幾十pF到幾千pF不等，因此設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到。

4. 漏電流會(huì)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生衰減，因此在設(shè)計(jì)時(shí)也要考慮到。

5. TVS的功率與時(shí)間是成反比的，具體計(jì)算選型見下方。

相比較而言，拋負(fù)載實(shí)驗(yàn)是汽車?yán)擞繘_擊中條件比較嚴(yán)苛的，根據(jù)ISO16750-2 (2010) 5A/5B標(biāo)準(zhǔn)定義，其測(cè)試條件與波形如下，從測(cè)試條件可以看出拋負(fù)載實(shí)驗(yàn)極限工況是內(nèi)阻Ri設(shè)定到最小，脈沖寬度調(diào)到最寬，其中350~400ms的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TVS規(guī)格里面10/1000us波形，因此計(jì)算與實(shí)測(cè)驗(yàn)證相結(jié)合的方式來選定真正合適的解決方案。

表中Un表示正?；芈返墓ぷ麟妷号c波形圖中的Ua是一樣的；Us表示5A浪涌沖擊峰值電壓；Us*是5B平臺(tái)電壓，也是5A對(duì)應(yīng)的保護(hù)鉗位電壓；Ri為5A測(cè)試對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)內(nèi)阻，在浪涌沖擊中具有限流作用，td浪涌波形持續(xù)時(shí)間；tr為浪涌電壓從10%到90%的爬升時(shí)間。

5B波形實(shí)際是5A波形鉗位后的平臺(tái)波形，因此5B設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單很多，TVS工作電壓高于Us*平臺(tái)電壓即可，目的是使5B波形 TVS落后于前端5A波形 TVS動(dòng)作，從而保證5B TVS免受5A波形沖擊損壞，說白了就是5B波形TVS重點(diǎn)是保護(hù)5A以外的小浪涌沖擊。

TVS二極管反向動(dòng)態(tài)特性可以用動(dòng)態(tài)等效電阻Rc公式來體現(xiàn)，等效電阻斜率如圖中紅線所示。

Vc=Vbr+Ic*Rc

5A測(cè)試等效電路圖如下，在鉗位保護(hù)動(dòng)作時(shí)，測(cè)試內(nèi)阻Ri與TVS動(dòng)態(tài)阻抗Rc用來共同限制回路當(dāng)中的電流峰值，其中峰值電壓為浪涌電壓Vs疊加工作峰值電壓Va，因此：

為了對(duì)于TVS選型正確與否展開分析，這里需要先確定一些測(cè)試所需要的參數(shù)。假定在12V車載系統(tǒng)：

●    工作峰值電壓Ua為13.5V

●    5A波形浪涌峰值電壓Us為85V

●    測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)阻Ri為1?

●    脈沖寬度td為400ms

選定Littelfuse SLD8S24A作為此5A波形保護(hù)，已知參數(shù)如下：

●    10/1000us對(duì)應(yīng)Ipp為180A

●    鉗位電壓Vc為38.9V

●    擊穿電壓Vbrmin為26.7V，Vbrmax為29.5V

通過TVS等效阻抗關(guān)系式可以算出等效電阻Rt，其中Vbr選最小值26.7V：

在400ms浪涌沖擊下，等效峰值電流Ipp_act為：

通過此時(shí)浪涌波形下的尖峰電流，反推回TVS的鉗位電壓Vc_act:

此時(shí)TVS承受的浪涌功率為Ppp_act:

查看SL8S功率曲線可以看出，t1 100ms對(duì)應(yīng)功率約為P1 2300W，而t2 200ms約為P2 2200W，此時(shí)對(duì)應(yīng)的功率斜率系數(shù)k：

通過斜率系數(shù)可以算出400ms所對(duì)應(yīng)的浪涌功率P3：

從計(jì)算結(jié)果可以看出TVS需要鉗位的浪涌功率非常接近并略微超過其耐受功率，但是從功率曲線也可以看出，隨著時(shí)間增加，其斜率一直在變緩，因此實(shí)際TVS在400ms時(shí)耐受功率可以超過2000W，這種耐受功率與浪涌功率臨界的狀態(tài)需要通過實(shí)測(cè)去驗(yàn)證，這里要強(qiáng)調(diào)兩點(diǎn)，第一，通常TVS設(shè)計(jì)都會(huì)留有裕量，這種臨界狀態(tài)是有很大概率可以通過浪涌沖擊；第二，從設(shè)計(jì)裕量考慮，可以選擇更大功率產(chǎn)品或者采用2個(gè)12V產(chǎn)品串聯(lián)方式來解決。

這里把Vbr選定最大值29.5V重新代入計(jì)算，可以算出Ppp_act為2159W，因此Vbr選定最大值得出來的結(jié)果也即最惡劣的工況。

SLD8S系列作為拋負(fù)載專用TVS，規(guī)格書同時(shí)給出了SOA曲線作為設(shè)計(jì)參考，從圖中可以看出在Vs 85V，td 400ms，系統(tǒng)的測(cè)試電阻Ri大于0.9?都處于安全工作區(qū)，因此可以極大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)步驟，同時(shí)也側(cè)面驗(yàn)證了在臨界狀態(tài)下，實(shí)測(cè)結(jié)果更能體現(xiàn)TVS的本身抗浪涌能力以及其設(shè)計(jì)裕量。

相比于拋負(fù)載專用TVS，常規(guī)TVS并沒有給出SOA曲線，細(xì)心的小伙伴可以發(fā)現(xiàn)前面浪涌尖峰電壓是工作電壓Va與浪涌電壓Vs的疊加，這是拋負(fù)載里面常用的尖峰電壓公式，實(shí)際普通應(yīng)用場(chǎng)景浪涌電壓無需疊加，給出監(jiān)測(cè)到的浪涌電壓Vs即可，通過Vs=Vbr+Ipp*(Ri+Rt)公式直接算出浪涌電流，其余步驟與前面一樣，如果算出來的Ppp_act小于所選定的TVS功率，那就表示選型合適，鑒于實(shí)際工況浪涌尖峰可能會(huì)比預(yù)估的要高，條件允許的條件下，留有充足的裕量有助于提高產(chǎn)品整體的可靠性。

來源：Littelfuse

作者：Rambo Liu