Vishay-TVS瞬态电压抑制器-选用技术文档

高功率和混合动力汽车优化的Vishay负载突发保护装置互联网时间：2009-01-25作者：Sweetman Kim高级应用程序经理Vishay general半导体台湾有限公司中心议题：汽车负荷骤降保护的重要性比较多个负载突发保护电路和设备关于负载突发、相关基础知识和计算方法的介绍是什么大功率和混合动力汽车突然负载降的Vishay保护装置简介解决方案：Vishay高输出硅TransZorb TVS可用于防止易受攻击的电路受到电气过电压的影响Vishay的高功率硅TVS的钳位电压37 V满足汽车应用电压调节器对37 V至40 V最大输入电压范围的要求为了满足75V的最大稳压电压，一个或两个串联Vishay负载突发装置可以在该电压下抑制负载突发电压汽车生产现状与预测全球轻型汽车产量百万辆42 V系统(包括中型混合动力车)轻型汽车的总比例混合动力汽车汽车负荷急剧下降保护的重要性今天，许多并行在汽车供电线上的电子控制器和设备与3，40年前生产的汽车大不相同。当时汽车唯一的电子设备是汽车收音机。今天，一辆汽车装有多个电子设备，其中一些与安全驾驶有关，这可能会给汽车的运行带来严重的问题。这些并行电子系统与供电电路连接的所有电子系统的保护装置不平均共享瞬态能量，如图1所示。瞬态能量特别严重影响连接的最低阻抗的保护装置。因此，在汽车电子设计中，一个保护装置必须能够安全地承受负载突然状态瞬变的全部能量。图2是故障仪表板(cluster panel)的负载突然下降的照片，因为通过该设备的电流不会与汽车上其他电子设备上的其他保护设备共享。负载突发保护电路和设备比较有多种类型的电路或设备可应用于负载突发保护，某些设备的制造商可能会满足负载突发保护功能的需要。典型的暂态电压保护可分为图3所示的三种操作类型。分流类型是检测输入电压并连接电力线对的设备。用于调节分流的开关设备或保护电路是晶体管和晶闸管。雪崩屈服二极管、詹纳二极管、晶闸管TVS和MOV是这种保护类型的自触发设备。虽然具有简单结构的优点，但其缺点是交换机需要高功率功能。如果负载失败或电气短路，通常可以使用自恢复阻塞开关进行大电流保护。部分电源管理IC集成了此功能，为客户提供了简单的设计并节省了空间。保护装置不需要处理大电流，从而减少空间的优点是，在负载突发状态下，开关切断电源中，大型存储电容器为负载提供能量是缺点。线性电压调节器类型有输出电压之间的电压差异，以及消除设备本身高浪涌电压需要大功率晶体管的缺点，具有控制电源的好特性。在抑制模型中，负载急剧减少的状态下的自恢复阻塞和线性电压调节器具有高阻抗，此高能量流向连接电子或电力装置的保护装置中最低的装置。这就是通用设计拓扑的负载突发保护采用分流类型的原因。使用横杆和卡箍类型等操作特性，可以将分流保护回路分为两组。当设备处于传导状态时，Crow bar操作类似于电气短路，不适用于汽车保护。汽车电子系统的典型保护方法是将高压值钳制为设备或电路的设定电压，而Vishay通用半导体是具有用于负载突发保护的各种额定功率的产品线。用于急剧负载保护的受欢迎设备包括雪崩击穿二极管、稳压二极管和金属氧化物变压器。类似于陶瓷电容器的金属氧化物压敏电阻是一种具有双向击穿特性的合成氧化锌(ZnO)化合物，可以进行方向保护逆输入。在结构方面，多层和多通路结构的MOV在响应高能瞬态过程方面存在一些延迟。同时，连续瞬态MOV粒子的疲劳可能会降低钳位电压和浪涌能力(见脚注)。詹纳二极管类似于雪崩击穿二极管，浪涌功率比雪崩击穿二极管低，因此主要用于管制而不是防止高能瞬变。Vishay通用半导体的雪崩屈服二极管型负载突发系列适用于各种负载突发模拟测试的高能瞬态、快速响应和高可靠性的实际应用。汽车电子，如电子控制装置、传感器和娱乐系统，连接在一条电力线上。这些电子产品的电力来源是电池和发电机，两者的输出电压都不稳定，可能受温度、工作状态和其他条件的影响。此外，这些系统使用诸如燃油喷射、阀门、引擎、电力和水解控制器等螺线管负载，因此ESD、最高噪音和各种瞬态和浪涌电压进入电源和汽车系统的信号线。什么是负载突发？引擎运行时卸下电池时，发电机向汽车的电力线提供电流，会发生最坏的浪涌电压情况。这种情况是大多数汽车制造商和行业协会对这些负载突发表示最高电压、线路电阻和持续时间的“负载突发”，如图A-2所示。此情况的两个著名测试模拟是用于14 V驱动器系统的美国ISO-7637-2 Pulse 5，以及用于日本JASO A-1、27 V驱动器系统的JASO D-1。在本部分中，我们将讨论用于14 V驱动器系统突然负载降的TVS应用程序。如图A-3所示，Vishay的高功率硅TransZorb TVS可用于防止易受攻击的电路受到电气过电压的影响，以确保高可靠性。关于初级保护，TVS可以在负急剧下降的条件下吸收高能量。|I)负载突发测试的规范和结果表1模拟了适用于14 V驱动器系统的美国ISO-7637-2 Pulse 5和日本JASO A-1测试。两种测试的电压波形如图A-4a所示。对于ISO-7637-2测试条件，标准条件为65 V到87 V的大范围，线路电阻(Ri)的范围为0.5到4。有些汽车制造商对基于ISO-7637-2 Pulse 5的负载突发测试有不同的条件。峰值负载TVS的峰值钳位电流通过以下公式A-1计算：负载急剧下降状态的额定功率表示为受到发电机内部电阻的内部电阻，如A-1公式所示。上述公式适用于60 A输出发电机的最小Ri为1.1 ，120 A输出发电机为0.6 ，目前用于传统小型旅行车的普通发电机。ISO 7637-2将电涌条件指定为5-6-5c)，以应对载荷突然下降。c)在测试脉冲的5a和ISO-7637-2的5b处，“此脉冲由峰值电压Us、钳位电压Us*、内部电阻Ri和脉冲持续时间TD确定；在所有情况下，低Us值与低Ri和TD值相关，高Us值与高Ri和TD值相关。”但是，Us、Ri和TD没有明确的匹配。汽车工程师们是按照汽车制造商的标准测试装置和电子装置的。Vishay每个额定功率的负载暴冲系列可以满足ISO-7637-2的要求以及汽车制造商的测试规格。表A-2显示了Vishay的高功率硅TVS在不同测试规范下的测试结果。表a-2: vishay上的负载突发TVS钳位电压在此测试中，Vishay的高功率硅TVS的钳位电压低于37 V，满足汽车应用电压调节器对37 V至40 V最大输入电压范围的要求。图A-5a显示了JASO A-1测试中SM5A27的电流和电压波形。图A-5b显示了ISO 7637-2测试中负载突然发生TVS故障的钳位电压和电流。钳位压降接近0，通过设备的电流增加到线路电阻允许的最大值。表A-3显示了Vishay在各种负载突发测试条件下负载突发TVS的故障率。SM8S24A是ISO-7637-2 Pulse 5测试的最高额定条件下功能最强大的设备。ISO-76372最大测试条件下的峰值电流可以通过以下公式计算：IPP=(vinVC)/ri=(11035)/0.5=150 aII)两组Vishay负载突如其来的TVSVishay有两种类型的汽车电子初级保护负载突发TVs:EPI part vs和Non-EPI PARTVS。PAR TVS的产品组显示在表A-4中。在反向偏移模式下，两组产品的屈服操作特性相似。不同之处在于，EPI-PAR TVS在正向模式下具有较低VF的属性，而Non-EPI PAR TVS在相同条件下具有较高的VF，如表A-5所示。此特性对于提供给电力线的反向电压非常重要。大多数CMOS IC和LSI的反向电压能力很差。低于-1 V时，MOSFET的栅极在反向电压下也较弱。在反向电源输入模式下，电力线电压与TVS正向压力降(VF)相同。此反向偏移模式可能导致电路故障。对于此问题，低正向压力降EPI PAR TVS是很好的解决方案。防止电路受反向电源输入影响的另一种方法是在电源线上使用极性保护适配器，如图A-7所示。极性保护适配器必须具有足够的正向电流额定值、正向浪涌和反向电压容量。Vishay具有多种标准适配器和短键适配器，可实现极性保护和较大的工作温度范围以及出色的电气特性。注：所有测试数据均为典型值，容差为5%。III)汽车电力线的二次保护在汽车系统中，保护电路的基本目标是高电位浪涌电压，但是钳位电压仍然很高，如表A-1和B-1所示。次要保护在24 V驱动的系统(如卡车或卡车)中尤为重要。主要原因是汽车应用程序中的大多数电压调节器和DC-DC转换器IC的最大输入电压在45 V到60 V之间。在24 V测试条件下，一级保护TVS的屈服电压显示在表B-1中。这可能导致电压调节器、仪表组件集成电路和其他电子设备中的高压。将电阻器添加到电力线可以减少瞬态电流，有助于辅助保护使用低功率等级的TVS。电子设备的微处理器和逻辑电路的电流要求为150 mA到300 mA，最低输出电压的12 V电池为18到7.2 V，在相同条件下，24 V电池为14.4 V。上述条件下的24 V电池的300 mA负载的电源电压为r=20时为8.4V；是。最低电压为14.4 V的电池(18c时的24 V电池电压)条件下，r=10时的11.4 V注：所有测试数据均为典型值，容差为5%。图b-2: jaso d-1测试的钳制电压和电流波形使用20电阻器的TPSMC36A-Vc=37.8 V-Ipp=0.7 A四)大型发电机和中型混合动力汽车的负载爆裂保护一些发电机制造商发布了新一代汽车的大型发电机和集成启动/发电机(皮带驱动发电机系统或启动-停止系统)。现有发电机的输出功率为14 V，功率为60 120 A，使用汽车中使用的增强技术的大功率大型发电机为14 V，220 300 A，配备了电子制动系统、电动转向、信息、娱乐、驾驶辅助等功能等电动便利系统。中型混合系统的集成启动程序/发电机(ISG)；轻型汽车的14 V、120 A；制动和停车过程中没有燃料喷射的情况下，空转引擎输出为42 V、60至80 A大型发电机对于14 V系统中的大型发电机，ISO7637-2和ISO-8854的正式1) 220 A的发电机内部电阻为0.33，300 A的内部电阻为0.24。在负载急剧下降的条件下，用户必须抑制35 V的浪涌电压，电涌保护器在相同的条件下处理比当前现有发电机更大的电流。图C-2显示了Vishay general半导体各种条件下负载突发系列的最大能力。SM8S22A可以利用87 V Us条件0.5ri、65 V Us条件0.3，将汽车电子设备的常规DC-DC转换器IC或线性稳压器钳制电压抑制在37 V以下，以便用于引擎ECU、雨刷控制器、ABS、安全气囊、仪表板、雨刷控制器等。vishay road burst系列的这种高输出能力可以经济高效地用于大型发电机的安全运行。文件I)负载拆分测试规范和结果，II)有关详细信息，请参见两组Vishay负载拆分TVS一章。中型混合动力车辆的42 V ISG(ISA)负载拆分保护汽车长期无视42 V左右的系统运行安全性和稳定性，并争论的时候，最近一些中型混合动力汽车使用了42 V电源总线和发电机。42 V电源系统的基本概念是实现比12 V电源系统更高的电源效率，减少汽车的电源线束重量。这种新的42 V电源系统对半导体组件的影响比12 V系统需要高得多的绝缘强度。Vishay的负载暴冲系列旨在经济实惠地抑制过渡和浪涌，包括负载暴冲瞬态。图C-4显示了针对DIN和ISO标准提出的规定电压级别。图C-4考虑到在汽车电子中半导体的最大输入电压的规则是75 V的要求，部分Vishay负载突发系列可以满足42 V电源系统的要求。为了达到75 V的最大齐纳钳位电压，一个或两个线内Vishay负载突发装置可以根据线路电阻抑制负载突发电压。最大负载突发电压是从应用于重载卡车的27 V系统演化而来的。ISO7637-2中说明的42 V发电机的线路电阻为70 a 3.1 ，110 A输出类型为2 。在3线路电阻条件下，单个SM8S43A或SM8S36A可以抑制174 V的负载突发电压(55 60 V)，而不会出错。对于高功率42 V发电机，内部电阻降低，电流增加，瞬态电压抑制装置可以处理更大的电流。图C-6是两个串行TVS的典型应用，图C-7是在各种线路电阻和电压条件下由