車輛電壓保護(hù)——將電壓水平保持在限度內(nèi)

車輛中可能會(huì)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(duì)靜電放電 (ESD)、拋負(fù)載(load dump)脈沖和瞬變提供充分保護(hù)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(jī)（圖1）。車輛交流發(fā)電機(jī)是一個(gè)三相發(fā)電機(jī)，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(dòng)取決于當(dāng)前的功率要求，包括發(fā)電機(jī)（發(fā)動(dòng)機(jī)）的速度和擋風(fēng)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(hù)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(yùn)行狀態(tài)，許多其他電氣故障可能會(huì)給電氣系統(tǒng)帶來負(fù)擔(dān)。例如，啟動(dòng)器可能會(huì)出現(xiàn) 8 到 16 V 之間的電壓波動(dòng)，或者繼電器的切換和接觸引線的松動(dòng)會(huì)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(huì)沿著電力線傳播，導(dǎo)致單個(gè)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(fù)載脈沖具有極高瞬態(tài)尖峰電壓

最大的威脅是拋負(fù)載脈沖，它會(huì)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(jī)運(yùn)行時(shí)斷開電池，或者腐蝕導(dǎo)致連接不良，便會(huì)發(fā)生這些情況。然后，由于負(fù)載不足，交流發(fā)電機(jī)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(jī)具有高繞組電感，因此需要相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間（大約是 Transil 脈沖時(shí)間的一千倍以上）才可再次穩(wěn)壓調(diào)節(jié)變化的負(fù)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(jī)

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(biāo)準(zhǔn)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(shí)間。拋負(fù)載脈沖屬于 E5類型，它們進(jìn)一步劃分為未帶有集中式拋負(fù)載抑制保護(hù)的脈沖 5a（圖 3）和帶有集中式拋負(fù)載抑制保護(hù)的脈沖5b（圖 4）。

圖片來源：www.demvt.de

圖 3：未帶有集中拋負(fù)載保護(hù)的拋負(fù)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(fù)載保護(hù)的脈沖 5b，鉗位電壓US*因項(xiàng)目而異。

為了展示對(duì)拋負(fù)載的抑制保護(hù)功能，機(jī)動(dòng)車輛的電子系統(tǒng)必須通過 ISO 16750 標(biāo)準(zhǔn)(ISO-16750-2 5b) 中規(guī)定的相關(guān)測(cè)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(fù)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(duì)于其他組件過高

如果交流發(fā)電機(jī)上或交流發(fā)電機(jī)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(duì)下游電子元件進(jìn)行充分保護(hù)，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(huì)消耗任何負(fù)載突降能量。因此，由于較早開始鉗位操作，所有拋負(fù)載能量都將在鉗位電壓較低的 TVS二極管上進(jìn)行耗散。結(jié)果是對(duì)應(yīng)于 ISO 16750-2 5a 脈沖的波形（沒有集中式拋負(fù)載保護(hù)）。

由于脈沖具有特別高的能量并且可以持續(xù)長(zhǎng)達(dá) 400 ms時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的二次瞬態(tài)電壓保護(hù)（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(jì)用于防止因感性負(fù)載切換和發(fā)電機(jī)負(fù)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(shí)間低于1 ps，其堅(jiān)固耐用的 P600 軸向引線封裝符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

在選擇拋負(fù)載保護(hù)二極管時(shí)，需要根據(jù)特定應(yīng)用而考慮某些參數(shù)：交流發(fā)電機(jī)的內(nèi)阻 Ri 會(huì)導(dǎo)致短路電流 Ipp，而Ipp 乘以鉗位電壓 Vcl則是拋負(fù)載操作必須降低達(dá)到的數(shù)值，從而得到保護(hù)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)，即采用具有集中式拋負(fù)載保護(hù)的方法。然后在本地 TVS 二極管上產(chǎn)生較低的拋負(fù)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(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品銷售經(jīng)理Emilia Mance