- 汽車負載突降保護的重要性
- 幾種負載突降保護電路和器件的比較
- 什么是負載突降、相關基礎知識和計算方法的介紹
- 介紹Vishay用于大功率和混合動力汽車負載突降的保護器件
- Vishay大功率硅TransZorb® TVS可用來防止易受攻擊的電路受到電氣過應力的影響
- Vishay的大功率硅TVS的箝位電壓<37 V，滿足汽車應用穩(wěn)壓器對37 V至40 V最大輸入電壓范圍的要求
- 為滿足75V的最大齊納箝位電壓，1-2個串聯(lián)的Vishay負載突降器件即可把負載突降電壓抑制在該電壓
汽車生產狀況及預測
全球輕型汽車產量——百萬輛
42 V系統(tǒng)(包括中型混合動力汽車)——輕型汽車總數(shù)百分比
混合動力汽車
汽車負載突降保護的重要性
今天，汽車中并聯(lián)在供電線路上的許多電子控制器和設備與三、四十年前生產的汽車有了很大的不同。那時汽車中的唯一的電子設備就是汽車收音機。今天，一輛汽車中配備了若干電子設備，其中一些是與安全駕駛有關的，而這些電子設備的故障會引起汽車操作嚴重的麻煩。
這類并聯(lián)的電子系統(tǒng)如圖1所示，所有連接在供電線路上的電子系統(tǒng)的保護器件不可能平均分擔瞬態(tài)能量。瞬態(tài)能量對連接的那些最低阻抗的保護器件的影響尤為嚴重。因此，在汽車電子設計中，一個保護器件要能夠安全地承受負載突降狀態(tài)瞬變的全部能量。圖2是出現(xiàn)故障的儀表板（cluster panel）負載突降的照片，其故障原因在于，流經(jīng)這個器件的電流沒有與汽車中另一個電子單元中的其他保護器件共同分擔。
負載突降保護電路和器件的比較
有幾種類型的電路或器件可應用于負載突降保護，而且一些器件的制造商可以使之滿足負載突降保護功能的需要。典型的瞬態(tài)電壓保護可以劃分為如圖3所示的三種操作類型。
分流型是檢測輸入電壓和接通跨電力線對地的器件。用于分流調節(jié)的開關器件或保護電路是晶體管和可控硅。雪崩擊穿二極管、齊納二極管、可控硅型TVS和MOV是這種保護類型的自觸發(fā)器件。其優(yōu)勢在于簡單的結構，而不利則是要求開關器件具有大功率能力。當負載出現(xiàn)故障或電氣短路時，通常可以使用自恢復截止開關進行大電流保護。某些電源管理IC集成了這個功能，以便為客戶提供簡單的設計并節(jié)省空間。其優(yōu)勢在于保護器件不需要處理大電流，因此可以減小空間，而缺點是在負載突降狀態(tài)下開關截止功率期間，需要大存儲電容器為負載提供能量。
線性穩(wěn)壓器型在控制供電方面具有良好的特性，缺點是需要大功率晶體管來消除輸出電壓之間的電壓差異和器件本身的高浪涌電壓。在抑制模型下，負載突降狀態(tài)下的自恢復截止和線性穩(wěn)壓器具有高阻抗，而這種高能量會流向連接電子或電力設備的保護最差的器件。這就是通用設計拓撲結構的負載突降保護采用分流型的原因。利用Crow bar和箝位型等操作特性可以將分流型保護電路劃分為兩組。當器件處于導通狀態(tài)時，Crow bar操作類似于電氣短路，不適用于汽車的保護。
汽車電子系統(tǒng)常見的保護方法是將高電壓值箝制到器件或電路的設定電壓，而Vishay通用半導體有各種額定功率的用于負載突降保護的產品系列。用于負載突降保護的流行器件是“雪崩擊穿二極管”、“齊納二極管”和“金屬氧化物變阻器”。
金屬氧化物變阻器類似于陶瓷電容器，其基本結構是合成氧化鋅（ZnO）化合物，它具有雙向擊穿特性，可以無方向保護反向輸入。在結構方面，多層和多路（multi pass）結構的MOV在響應高能瞬變方面存在一定的時延。同時，處于連續(xù)瞬變下的MOV微粒的疲勞會導致箝位電壓和浪涌能力下降（參見腳注）。
齊納二極管類似于雪崩擊穿二極管，由于具有比雪崩擊穿二極管更低的浪涌功率能力，其主要應用是調節(jié)而不是防止高能量瞬變。Vishay通用半導體的雪崩擊穿二極管型負載突降系列，適用于各種負載突降仿真測試的高能瞬變，以及快速響應和高可靠性的實際應用。
汽車電子，如電子控制單元、傳感器和娛樂系統(tǒng)，都是連接在一根電力線上。這些電子產品的功率來源是電池和發(fā)電機，兩者的輸出電壓都不穩(wěn)定，會受到溫度、操作狀態(tài)和其他條件的影響。此外，由于這些系統(tǒng)使用了螺線管負載，如燃料噴射、氣門、發(fā)動機、電氣和水解控制器，ESD、尖峰噪聲和各種瞬變及浪涌電壓都會進入電源及汽車系統(tǒng)的信號線。
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什么是負載突降？
在引擎運行過程中斷開電池時，要由發(fā)電機向汽車的電力線提供電流，就會出現(xiàn)最糟糕的浪涌電壓情況。這種情況就是“負載突降”，大多數(shù)汽車制造商和行業(yè)協(xié)會都為這種負載突降情況規(guī)定了一個最高的電壓、線路電阻和持續(xù)時間，如圖A-2所示。這種情況的兩個著名的測試仿真是：用于14 V傳動系統(tǒng)的美國的ISO-7637-2 Pulse 5和日本的JASO A-1，以及用于27 V傳動系統(tǒng)的JASO D-1。在本節(jié)中，我們將討論14 V傳動系統(tǒng)負載突降的TVS應用。
如圖A-3所示，Vishay的大功率硅TransZorb® TVS可用來防止易受攻擊的電路受到電氣過應力的影響，以確保高可靠性。至于初級保護，TVS可以吸收負突降條件下的高能量。|
I）負載突降測試的規(guī)范和結果
表1是用于14 V傳動系統(tǒng)的美國的ISO-7637-2 Pulse 5和日本的JASO A-1測試的仿真。兩項測試的電壓波形如圖A-4a所示。
對ISO-7637-2測試條件來說，標準條件為65 V至87 V的VS范圍，Ri（線路電阻）的范圍為0.5 ?至4 ?。一些汽車制造商為基于ISO-7637-2 Pulse 5的負載突降測試規(guī)定了不同的條件。負載突降TVS的峰值箝位電流是由以下公式A-1計算出來的：
負載突降狀態(tài)的額定功率是由內阻表示的，由該公式得到了一個發(fā)電機的內阻，如公式A-1所示。
以上公式適用于當前傳統(tǒng)的小型旅行車使用的常見的發(fā)電機，其線路電阻為：60 A輸出發(fā)電機的最小Ri為1.1 Ω，120 A輸出發(fā)電機為0.6 Ω。ISO 7637-2規(guī)定了負載突降情況下的浪涌條件為5-6-5 c）。
C)在5-6-5測試脈沖的5a和ISO-7637-2的5b中規(guī)定了“該脈沖是由峰值電壓Us、箝位電壓Us*、內阻Ri和脈沖持續(xù)時間td決定的；在所有情況下，低Us值與低Ri和td值有關，而高Us值與高Ri和td值有關。”
但是，Us、Ri和td沒有明顯的匹配。汽車工程師們是在汽車制造商的標準下進行器件和電子單元的測試。Vishay每個額定功率的負載突降系列都可以滿足ISO-7637-2的要求，而不僅是汽車制造商的測試規(guī)范。
表A-2所示為Vishay的大功率硅TVS在不同測試規(guī)范下的測試結果。
表A-2：Vishay的負載突降TVS箝位電壓
這些測試中Vishay的大功率硅TVS的箝位電壓低于37 V，滿足汽車應用穩(wěn)壓器對37 V至40 V的最大輸入電壓范圍的要求。
圖A-5a所示為JASO A-1測試中SM5A27的電流和電壓波形。
圖A-5b所示為ISO 7637-2測試中負載突降TVS故障的箝位電壓和電流。箝位壓降接近為零，而流經(jīng)器件的電流增加到了線路電阻允許的最大值。
表A-3所示為Vishay的負載突降TVS在各種負載突降測試條件下的失敗率。SM8S24A是ISO-7637-2 Pulse 5測試最大額定值條件下最強大的器件。
ISO-76372最大測試條件下的峰值電流可以由以下公式計算：
IPP =（Vin – Vc）/Ri =（110 – 35）/0.5 = 150 A
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II）兩組Vishay負載突降TVS
Vishay有兩種類型的汽車電子初級保護負載突降TVS：EPI PARTVS和Non-EPI PARTVS。PAR TVS的產品組列在表A-4當中。
兩組產品在反向偏壓模式下的擊穿工作特性類似。差異在于EPI-PAR TVS在正向模式下具有低VF的特性，而Non-EPI PAR TVS在相同條件下具有比較高的VF，如表A-5所示。這個特性對提供給電力線的反向電壓非常重要。
大多數(shù)CMOS IC和LSI的反向電壓能力都十分糟糕。在-1 V以下，MOSFET的柵極在反向電壓方面也很薄弱。在反向電源輸入模式下，電力線的電壓與TVS正向壓降（VF）相同。這種反向偏壓模式會引起電路故障。對于這個問題，低正向壓降EPI PAR TVS是一個很好的解決方案。
另一種防止電路受到反向電源輸入影響的方法是在電力線上采用一個極性保護整流器，如圖A-7所示。一個極性保護整流器應該有足夠的正向電流額定值和正向浪涌，以及反向電壓能力。Vishay擁有各種用于極性保護以及寬工作溫度范圍和卓越電氣特性的標準整流器和肖特基整流器。備注：所有測試數(shù)據(jù)均為典型值，而且存在±5 %的容差。
III）汽車電力線的次級保護
汽車系統(tǒng)中保護電路的初級目標是高電位浪涌電壓，但是箝位電壓仍然很高，如表A-1和B-1所示。次級保護對24 V傳動系統(tǒng)尤為重要，如在卡車和貨車當中。其主要原因是汽車應用中大多數(shù)穩(wěn)壓器和DC-DC轉換器IC的最大輸入電壓是45 V至60 V。
在24 V測試條件下，初級保護TVS的擊穿電壓如表B-1所示。這些將導致在穩(wěn)壓器、儀表總成集成電路和其他電子設備上出現(xiàn)高電壓。
在電力線上增加電阻器R可以減少瞬態(tài)電流，有助于次級保護使用較小功率額定值的TVS。電子單元中微處理器和邏輯電路的電流要求是150 mA至300 mA，最小輸出電壓的12 V電池在–18℃條件下為7.2 V，而在相同條件下的24 V電池為14.4 V。
在上述條件下的24 V電池中，300 mA負載的電源電壓在R = 20 ?時為8.4 V；在最低電壓為14.4 V的電池（–18℃時的24 V電池電壓）條件下，R = 10 ?時為11.4 V。
備注：所有測試數(shù)據(jù)均為典型值，而且存在±5 %的容差。
圖B-2：JASO D-1測試的箝位電壓和電流波形
采用了20 ?電阻器的TPSMC36A
- Vc = 37.8 V
- Ipp = 0.7 A
IV）大型發(fā)電機和中型混合動力汽車的負載突降保護
一些發(fā)電機制造商發(fā)布了新一代汽車的大型發(fā)電機和集成式起動機/發(fā)電機（皮帶傳動發(fā)電機（belt alternator）系統(tǒng)或起動-停止系統(tǒng)）。目前的傳統(tǒng)發(fā)電機的輸出是14 V，功率為60至120 A，而應用于汽車的采用改進技術的大功率大型發(fā)電機為14 V，220至300 A，這種汽車配備了電動助力便利系統(tǒng)，如電子制動系統(tǒng)、電動助力轉向、信息、娛樂、駕駛輔助和其他功能。
用于中型混合動力系統(tǒng)的ISG（集成式起動機/發(fā)電機），輕型汽車為14 V，120 A，而在制動和停車期間沒有燃料噴射時，空轉引擎為42 V，60至80 A輸出。
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大型發(fā)電機
對于14 V系統(tǒng)的大型發(fā)電機來說，由以下ISO7637-2和ISO-8854的公式1）得出的220 A的發(fā)電機內阻為0.33 Ω，300 A型的內阻為0.24 Ω。
在負載突降條件下，用戶需要抑制35 V的浪涌電壓，浪涌抑制器將處理比同樣條件下的目前傳統(tǒng)發(fā)電機更大的電流。圖C-2顯示了Vishay通用半導體各種條件下負載突降系列的最大能力。
SM8S22A可以利用87 V Us條件下的0.5 Ω Ri，65 V Us條件下的0.3 Ω，將汽車電子設備的普通DC-DC轉換器IC或線性穩(wěn)壓器箝位電壓抑制在37 V以下，以用于引擎ECU、雨刷控制器、ABS、安全氣囊，儀表板，雨刷控制器等等。Vishay負載突降系列的這種大功率能力可以成本有效地用于大型發(fā)電機的安全運行。請參閱文件I）負載突降測試規(guī)范和結果，II）兩組Vishay負載突降TVS章節(jié)了解更多細節(jié)信息。
用于中型混合動力汽車的42 V ISG（ISA）
負載突降保護
在長期無視和仍在爭論汽車采用42 V左右的系統(tǒng)的運行安全和穩(wěn)定性的時候，最近一些中型混合動力汽車使用了42 V電源總線和發(fā)電機。42 V電源系統(tǒng)的基本概念是實現(xiàn)比12 V電源系統(tǒng)更高的功率效率和減輕汽車中電力線束的重量。這種新型42 V電源系統(tǒng)對半導體元件的影響在于比12 V系統(tǒng)需要高得多的絕緣強度。
Vishay的負載突降系列為以具有成本效益的方式抑制包括負載突降瞬變在內的瞬變和浪涌做好了準備。
圖C-4所示為DIN和ISO標準提出的規(guī)定的電壓水平。
圖C-4考慮到了汽車電子中半導體的最大輸入電壓的約定是75 V的需求，某些Vishay負載突降系列可以滿足42 V電源系統(tǒng)的要求。
為了滿足75 V的最大齊納箝位電壓，一至兩個串聯(lián)的Vishay負載突降器件可以根據(jù)線路電阻把負載突降電壓抑制在這個電壓。峰值負載突降電壓是由重載卡車應用的27 V系統(tǒng)演變而來的。ISO7637-2規(guī)定的42 V發(fā)電機的線路電阻是70 A 3.1 Ω，110 A輸出型則為2 Ω。單個SM8S43A或SM8S36A可以將3 Ω線路電阻條件下的174 V的負載突降電壓抑制到55至60 V，而不出現(xiàn)故障。對于高輸出的42 V發(fā)電機來說，在負載突降狀態(tài)下內阻會降低而電流將增加，瞬態(tài)電壓抑制器可以處理更大的電流。
圖C-6是兩個串聯(lián)TVS的典型應用，圖C-7是各種線路電阻和電壓條件下兩個串聯(lián)的負載突降TVS的功率能力。
至少，兩個串聯(lián)的SM5S22A箝位負載突降電壓輸入為174 V，線路電阻為2 Ω，而SM6S22A或SM8S22A具有更低的箝位電壓和更低的線路電阻。
負載突降測試的波形如圖C-8所示，最大箝位電壓為174 V，Ri=1.25 Ω時為6 V±1V，流經(jīng)負載突降TVS的電流是95至100 A。這將使42 V電源網(wǎng)絡（PowerNet）半導體電平的精度比75 V更低，汽車中每個電子單元的次級保護器件可在這個箝位電壓與最大工作電壓之間的范圍進行箝制。
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42 V電源網(wǎng)絡的反向極性保護
12 V電源系統(tǒng)中的極性反向規(guī)范習慣上通常允許在25℃條件下1分鐘以內為–2 V，而常用解決方案在汽車中每個電子單元的電源輸入線上使用一個整流器，以降低電流損耗，如圖C-9所示，這不適用于大電流應用。
極性保護二極管規(guī)范是由負載電流和輸入電壓確定的，通常使用400 V級別的標準恢復整流器，因為ISO 7637-2 test pulse 3a的–12 V電源系統(tǒng)為-150 V，而ISO 7637-2 pulse 1的24 V系統(tǒng)為-600 V整流器。
在改進的技術或中型混合動力汽車中采用了許多大電流應用，如停車時無噴射的發(fā)動機驅動引擎，以及作為電動助力轉向和電子制動系統(tǒng)的液壓動力控制，都要求大電流，而且中型混合動力汽車中的14 V電力線還需要DC-DC轉換器模塊。
大電流應用極性保護的一種解決方案是使用高正向電流能力的整流器，或者是在電力線中使用沒有極性保護二極管的負載突降TVS，如圖C-10所示。
這種應用的基本工作概念和局限性是；
- - 負載突降TVS旁路所有反向偏壓電流
- - 大電流時的正向壓降應該低于2 V
- - 高正向浪涌能力可承受大電流，直至保險絲熔斷
Vishay負載突降系列可以滿足上述所有條件，第一個條件是整流器的基本功能，第二個條件是通過表1滿足的。Vishay負載突降系列的正向壓降在100 A電流條件下低于1.7 V。第三個條件取決于保險絲類型和額定值。
標準型汽車保險絲是快動作和不規(guī)定時間與電流關系的。一家典型快動作保險絲制造商規(guī)定，在600 %額定值時開路時間最小為30 ms，最大為100 ms。
用于汽車的典型20 A慢動作（slo-blo）型保險絲規(guī)定的120 A的開路時間為1秒，400 A時為10 ms。
汽車中電力電纜或普通跳線啟動（jump start）電纜中的電阻為每米0.01 Ω，而計算反向偏壓的浪涌電流的通用規(guī)范在14 V條件下為0.035 Ω或0.050 Ω。Vishay負載突降系列SM5S的正向浪涌能力是500 A，SM6S為600 A，而8.3 ms熱啟動SM8S型為700 A正弦波。每個系列的熔斷率（I2T）是1000 A2S、1500 A2S和2000 A2S。電路利用了20 A 慢動作型保險絲和反向偏壓的36 V電池，沖流可以低于700 A峰值（36 V-VF）/0.05 Ω，而保險絲規(guī)范規(guī)定的慢動作保險絲的開路時間小于5 ms，SM8S可以旁路這個巨大的電流，而不會造成器件故障或損壞電子單元。
結論
汽車的新趨勢是需要更多的電子控制和更多的電能，發(fā)電機也比過去更大。中型混合動力汽車中使用較大的發(fā)電機或集成式起動機/發(fā)電機，瞬變和浪涌能量的增加也比負載突降條件下的傳統(tǒng)汽車更多，負載突降保護對汽車安全更加重要，而Vishay半導體元件可以為這個新的趨勢提供方便、簡單、具有成本效益和高可靠性的解決方案。
作者簡歷
Soo Man（Sweetman）Kim曾在韓國的YoungNam大學學習電子工程，自從1987以來擔任Vishay通用半導體的現(xiàn)場應用工程師，負責整流器和TVS的產品市場應用。
