Littelfuse TVS二极管为汽车电子瞬态浪涌提供最强力的二次瞬态电压保护

时间： 2018-06-25 来源：Littelfuse

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汽车电子设计人员在系统设计过程中面临许多技术挑战，包括设计防范各种电气危害的方法。这些系统中电气危害的三个主要来源是静电放电（ESD），雷电和电力电子电路中的切换负载。克服可能损害车辆电子器件的瞬态浪涌是设计过程中最大的挑战之一。

什么是LITTELFUSE瞬态电压抑制（TVS）二极管保护？

在现代汽车设计中，所有车载电子设备都连接到电池和交流发电机。如图1所示，交流发电机的输出是不稳定的，需要进一步调节才能用于车辆的其他系统。

Littelfuse TVS二极管

图1 汽车电力系统的大部分瞬变是由交流发电机导致的

目前，大多数交流发电机都有齐纳二极管来防止负载突降浪涌，但是这些仍然不够。在感性负载的供电或切换期间，电池断开连接，从而产生不需要的尖峰或瞬变。如果不加修正，这些瞬变会沿着电力线传输，导致单个电子设备和传感器发生故障，甚至永久损坏车辆的电子系统，从而影响整体可靠性。

TPSMF4L，TPSMB，TPSMA6L，TPSMC，TPSMD，TP6KE，TP1.5KE，TP5KP，SLD和SLD8S系列是Littelfuse推出的TVS二极管，可以为负载突降和其他瞬态电压事件引起的瞬变提供对灵敏电子设备的二次瞬态电压保护。这些系列以小尺寸封装提供卓越的电气性能，允许设计人员在不改变其现有设计尺寸的情况下升级其电路保护，或在新电路布局中提供更强大的保护。

汽车总线保护

当前最流行的通信总线标准是CAN和LIN总线。CAN总线（控制区域网络）是一种车辆总线标准，旨在允许微控制器和设备在车内彼此通信，而不需要主机，系统可处理从动力转向到发动机计算机与变速箱之间的关键传动系通信的所有内容。LIN（本地互连网络）总线标准是用于车辆组件之间通信的串行网络协议，系统可处理简单的机电功能，例如移动动力座椅和切换巡航控制系统。

由于CAN/LIN总线是用于汽车内部各种控制和监视功能的双线通信总线，因此它们有很大的机会涌入两条线路并导致CAN/LIN收发器出现故障。以下是这两个总线的保护方法。

图2 CAN总线保护方法

如图2所示，TPSMB30CA TVS二极管设计用于保护共态（24V系统）的两条CAN总线免受浪涌事件影响。TPSMB24CA是一款600W双向TVS二极管，具有25.6V的反向对抗电压和41.4V的最大钳位电压。它是保护CAN总线而不削减CAN信号的理想选择。在12V CAN系统中，使用两个TPSMB15CA TVS二极管代替TPSMB24CA。

图3 LIN总线保护方法

LIN收发器的信号范围为+24/-15V，数据速率为2.4kbps至20kbps。如图3所示，它需要非对称的TVS配置来保护差分模式下的双绞线。TPSMA6L24A/TPSMA6L15A TVS模块以抗串联模式连接，以保护两根线不受浪涌事件的影响。TPSMA6L TVS二极管是一款采用小型DO-221AC封装的600W器件。有相同功率处理能力的替代解决方案为添加TPSMB30CA（双向）以保护LIN总线。

汽车标准ISO16750-2与ISO7637-2的负载突降浪涌比较测试

ISO 16750-2由道路车辆技术委员会(ISO/TC 22)电气和电子设备小组委员会(SC 3)编制。2010年，ISO16750替代ISO7637用于负载突降脉冲5a和5b部分。这里我们将列出这两个标准差异并给出负载突降保护组件选择的指导原则。

ISO16750-2在10分钟内定义了10个脉冲，间隔1分钟，而旧的ISO7637-2标准仅定义了1个脉冲。因此，该保护装置必须具有较高的可靠性，以满足这种负载突降保护的新要求。

在下面的图4和图5中，对12V系统中不同脉冲持续时间的ISO16750-2和ISO7637-2进行了比较测试。对于电源电压Us 65至87V范围，承受不同脉冲（40mS，220mS和400mS）所需的Ri电阻在ISO7637-2中至少大于1.14Ω。

图4 12V系统单个脉冲(ISO7637-2)

图5 12V系统10个脉冲(ISO16750-2)

图4＆5的上部区域是SLD15U-017设备的安全操作区域。因此，必须确保线路上的合成电阻（交流发电机电源阻抗）超过1.14Ω，以便为ISO7637-2脉冲提供充分的保护。但是，对于具有ISO16750-2测试要求如图5，线路上所需的最小电阻为1.5Ω，这比ISO7637-2的要求更高。注：SLD15U-017是一款单向TVS二极管，额定功率2200W，反向隔离电压15V，最小击穿电压16.7V。

在图6和图7中，对24V系统中不同脉冲持续时间的ISO16750-2和ISO7637-2进行了比较测试。对于123V至174V范围的电源电压U_s，承受不同脉冲（40mS，220mS和400mS）所需的R_i电阻在ISO7637-2中至少大于4.3Ω。

图6 24V系统单个脉冲(ISO7637-2)

图7 24V系统10个脉冲(ISO16750-2)

图6和7的上部区域是SLD33-018设备的安全操作区域。因此，必须确保线路上的合成电阻（交流发电机电源阻抗）超过4.3Ω，以便为ISO7637-2脉冲提供足够的保护。但是，对于具有ISO16750-2测试要求的图7，线路上所需的最小电阻为4.5Ω，这比ISO7637-2稍大。注：SLD33-018是一款双向TVS二极管，额定功率2200W，反向关断电压33V，最小击穿电压36.7V。

图8 12V系统10个脉冲(ISO16750-2)

图9 24V系统10个脉冲(ISO16750-2)

以上6个图表数据均在正常室温下测试。实际的脉冲承受能力可能因不同的应用环境而不同。在更高的环境温度下，TVS负载突降能量可能降低到较低的水平。

由于TVS二极管是钳位器件，浪涌电流将受到外部电阻的影响。从上面知道，R_i是交流发电机的内阻，会影响TVS二极管是否能够通过不同的外加电压和浪涌持续时间的浪涌测试。在R_i值太低而无法通过某些浪涌测试的情况下，需要多个并联的TVS才能通过相关的浪涌测试。

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男儿当自强 Lv8. 研究员 2021-07-26

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用户88727528 Lv3. 高级工程师 2019-04-27

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雨云阳 Lv5. 技术专家 2018-11-29

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蓝烟 Lv4. 资深工程师 2018-11-12

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