【应用】Littelfuse（力特）汽车级TVS二极管在汽车保护电路上的应用

汽车电子设计者在系统设计过程中会面临很多电气挑战,包括设计如何保护抵御多样化的电气危害。其中三个主要的电气危害分别是静电放电（ESD），雷击，电力线路中的负载切换。克服可能对汽车电路系统造成损伤瞬态浪涌在设计过程中是最大的挑战。

保护汽车电子包括消除可能对控制单元、影音娱乐系统、传感器、喷油嘴、阀门、电动机、12/24/42/48V动力系统和水解控制器等造成损坏的浪瞬态浪涌。

LITTELFUSE （力特）TVS二极管为汽车四个主要系统提供保护，包括安全系统，性能排放系统，舒适和方便，混合动力系统。

在现在的汽车设计中，所有的车载电子产品均连接到电瓶和发电机。如图1所示，交流发电机输出是不稳定的，在其为其他车载系统供电之前需要进一步调节。目前大部分的发电机用稳压管来保护因负载突变的浪涌，然而这些依旧是不够的，在供电或者电感负载切换，电瓶断开时不希望的尖峰或者浪涌电压将产生。如果发电机没有连接，这些瞬变电压将沿着电源线传输，将会引起个别的器件和传感器失效或者永久的损伤汽车电气系统，影响整车的可靠性。

图一

Littelfuse（力特） 在TPSMF4L, TPSMB,TPSMA6L,TPSMC, TPSMD, TP6KE, TP1.5KE, TP5KP, SLD 和SLD8S 系列TVS二极管是领先的供应商，可以为敏感的电子元件提供次级的瞬态电压保护，包括抛负载和瞬态电压事件引起的浪涌。这些系列提供优秀的电气参数同时采用小的封装形式，允许设计者在不改变已有的封装的情况下优化他们的保护电路，或者在新的电路设计中提供更稳定的保护。

Littelfuse（力特） TVS二极管在汽车电路上应用如下：

1. TVS二极管可以保护系统通过浪涌脉冲测试。

2. TVS二极管可以保护汽车总线系统。

3. TVS 二极管可以保护系统通过ISO16750-2标准测试。

汽车市场针对浪涌脉冲的标准主要有两个JASO和ISO7637-2，在日本、美国和国际市场，JASO A-1适用于14V汽车系统，JASO D-1适用于27V汽车。国际市场和美国测试标准，包括抛负载，瞬态脉冲和静电放电（ESD）。7637-2 是国际标准，应用于公路汽车，包括传导和耦合的电气干扰；美国国标为SAE J1113 GM 9105, ES-F2af-1316-AA是福特标准

ISO7637-2 中汽车EMC脉冲包括脉冲1、脉冲2a、脉冲2b、脉冲3a、脉冲3b、脉冲5a、脉冲5b。12v 及24v系统的测试电压以及脉冲次数见下图

根据测试结果可以证明，各种型号的Littelfuse（力特）汽车级TVS二极管均可通过ISO 7637-2的12V和24V的浪涌电压测试。其中TPSMF4L, TPSMA6L, TPSMB, TP6KE, TPSMC ，TPSMD的功率分别为400W, 600W, 600W, 600W, 1500W，3000W。TP6KE系列是通孔TVS管，其剩余部分是表贴的。这些二极管可以帮助电源系统通过依据ISO7637-2规定操作的不同浪涌测试（(1, 2a, 2b, 3a, 3b, 5a ,5b）。在12V系统中，仅当交流发电机的Ri值高于4.5Ω时，TPSMD系列的TVS可以被用于通过高于5a的浪涌脉冲，如果Ri值低于4.5Ω，更高功率的TVS，例如SLD或者SLD8S系列被推荐应用。

TVS二极管用于瞬态电压吸收保护方案应用于各种汽车系统。具体应用形式见下图，当发电机提供电压给负载器件时候，TVS二极管将阻止不希望的浪涌电压同时允许直流电压提供给其他电子系统。

TVS二极管用于汽车总线保护

目前应用最多的汽车通用总线标准为CAN总线和LIN总线。

CAN总线标准的设计允许汽车内的微控制器和设备彼此之间进行通讯在不需要一个主机的情况下。CAN总线是一张基于信息的通信协议，被特殊设计用于汽车系统应用但是现在也应用于其他领域，例如航空航天，自动化工业和医疗设备。流行的高速CAN总线协议为ISO11898-2，这个协议在严酷的环境下更好的应用高速协议（1.0Mbps）和中速协议（125Kbps）。ISO11898-2总线协议包括CAN_H和CAN_L数据线和一个通用的地线，不同的汽车电压应用有12V和24V系统。

LIN总线是一系列的网络协议用于汽车内不同部件之间的通讯。由于汽车上技术和设备的增长，如果均采用CAN总线协议对于汽车中的每个器件成本太贵一系列便宜的网络需求不断增长。欧洲汽车制造商开始应用不同系列的通讯拓扑方式，这也导致了兼容性问题。第一完全应用的LIN总线标准（LIN 1.3版本）在2002年11月推出，2003年9月推出2.0版本，扩充了能力同时提供附加的诊断能力，利用一个DC-LIN收发器LIN协议也被应用于汽车电池供系统，LIN总线现在在自动化世界中已经被广泛应用。

CAN总线系统处理着动力转向到关键的传动系统的通信，在发动机电脑和传动装置。

LIN系统，处理着简单的机电功能，例如移动电动座椅和锁住定速巡航系统。

由于CAN/LIN汽车总线采用双线通信形式控制和监控汽车功能。它们有很高的机会在两条线中获得浪涌电压引起CAN/LIN收发器的失效。

采用如下TVS 二极管连接形式，可以进行CAN总线保护：

TPSMB30CA TVS 二极管被设计用于保护两条CAN总线在正常的模式下（24V系统）所遇到的浪涌事件。TPSMB24CA 是600W的双向TVS二极管，具有25.6V的反向电压和41.4V的最大钳位电压，在不钳位CAN信号的情况下是最理想的CAN总线保护方式，在12VCAN系统中，可以用两个TPSMB15CA 代替TPSMB24CA.。

采用如下TVS 二极管连接形式，可以进行LIN总线保护：

LIN线收发器的信号在+24V到-15V并且数据变化率在2.4kbps到20kbps变化，就需要采用双向非对称结构的TVS管来保护两条总线在不同的模式。TPSMA6L24A与TPSMA6L15A TVS二极管采用反向串联的形式，在浪涌事件中保护两条线路。TPSMA6L TVS二极管功率为600W，采用小的DO-221AC封装。一个可供替代的选择在增加一个TPSMB30CA（双向二极管）作为LIN线保护。

力特TVS 产品在ISO 16750-2标准的测试

ISO 16750-2是被汽车委员会ISO/TC22，道路车辆，SC3委员会，电气和电子设备，2010年拟定。ISO16750代替ISO7637中抛负载脉冲5a和脉冲5b中的部分内容。

抛负载测试是模拟负载突变在交流发电机给发电机电路剩下的负载充电时候，电瓶放电并且断开的浪涌脉冲。抛负载实验，脉冲5a中ISO16750与ISO7637-2 不同之处在于tr上升斜率。ISO16750定义的斜率为10% (US-UA)到90%(US-UA)，ISO7637-2定义的斜率为10%US到90%US;脉冲5b中ISO16750-2 和 ISO7637-2只有在上升斜率tr中的US和US*有微小不同。

在一些问题中，设计者将会认为集中整合的TVS管钳位电压对于后面的保护器件依旧过高，这就意味着一个低钳位电压的TVS二极管可以用于保护。然而，如此应用过低钳位电压的器件，集中整合TVS管将会被短路，不能消除任何抛负载的能量。将导致所有的抛负载的能量将会消耗在低钳位电压的TVS二极管上。然而这时候的波形或者浪涌的能量等级事实上是ISO16750-2 5a 不在是脉冲5b。因此，汽车电子设计者需要一起考虑Us ,Ri，td的等级，然后再决定采用多高钳位电压的TVS二极管。由于这个原因，通常更高能量的SLD系列或者SLD8S系类TVS管需要被考虑。

如果钳位峰值电压在TVS二极管保护电压以内，设计者只需要选择一个低功率的TVS并且工作电压稍微高于峰值电压的TVS管即可，像TPMSB/TPSMC/TPSMD系列，在过脉冲5a实验的同时，这些TVS管也可以过脉冲1，脉冲2a,脉冲3a，脉冲3b等其他脉冲。

对于ISO 16750 5b Us*和TVS Vbr相关的规则选择可以参考低于安全操作区域（SOA）曲线。

SLD15U-017是一个单向TVS二极管功率2200W，反向截止电压为15V，最小击穿电压为16.7V。在不同的供电操作电压65V到87V变化，Ri电阻需要承受不同脉冲，在不同测试标准ISO7637-2和ISO16750-2中Ri值不同，我们需要确认合成电阻（发动机电源阻抗）采用超过电阻的最大值来实现充足的保护，或者是采用Us Vs ,Ri，每条曲线以上的安全操作区域（SOA）

以上曲线均在室温情况下测试得出，实际应用过程中会遇到不同的应用环境。在高温环境中TVS的抛负载能量将会减小到一个比较低的登记，因此在相同的US等级，Ri将会有轻微的上升。

由于TVS二极管是一个钳位装置，浪涌电流将会被外部电阻影响。Ri 是交流发电机的内部电阻将会影响TVS二极管是否它可以通过不同的外部电压和宽度的浪涌测试。在有些情况下Ri越低越容易通过一些浪涌测试，因此多个TVS并联可以通过相关的浪涌测试。

TVS 术语

1.反向维持电压

对于单向TVS二极管，反向维持电压是最大的峰值电压，应用于阻塞方向，没有有效的电流流过。对于双向TVS二极管，可以应用于任意方向。有相同的定义如最大关断电压和最大工作电压。

2.击穿电压

这个电压在特殊的直流测试电路下测出，典型值为1mA,最小值或者最大值一般都是固定的。

3.峰值功率额定值

用W或者KW表示，是一个1ms的指数脉冲电压，值等于IPP乘以VCL

4最大钳位电压（VC或者VCI）

最大的峰值电压可以通过保护器流过最大的峰值脉冲电流测得

5.峰值脉冲电流（IPP）

峰值脉冲电流（IPP）是TVS二极管所能承受不损坏的最大电流。需要的IPP只能由峰值脉冲电压除以电源电阻所决定。既然TVS二极管的失效模式为短路，如果TVS二极管失效的原因为超过数据手册规格较大的浪涌电压，电路将依旧被保护。