TVS器件的特性及在汽車行業(yè)的應(yīng)用

在汽車應(yīng)用中，必須保護(hù)敏感的半導(dǎo)體元件免受電涌、瞬變和靜電放電 （ESD） 的影響。單個瞬態(tài)電壓尖峰很容易損壞或破壞組件，而即使是相對較低能量的電噪聲也可能導(dǎo)致數(shù)字通信嚴(yán)重中斷。

只要存在高壓，瞬變就可能以瞬時或連續(xù)浪涌的形式出現(xiàn)，并且可以通過 PCB 走線和電纜傳播。瞬時浪涌很容易達(dá)到 3kV，并且通常在切換感應(yīng)負(fù)載時發(fā)生，例如停止電機(jī)。由于大多數(shù)現(xiàn)代集成電路 （IC） 在低直流電壓下運(yùn)行，因此瞬變是集成電路和數(shù)字信號的常見威脅。

為了阻止這些瞬態(tài)，一個常見的解決方案是瞬態(tài)電壓抑制器 （TVS）。本文將解釋 TVS 器件的特性，并討論它們?nèi)绾斡糜谄噾?yīng)用。

電視解釋

TVS 是一種固態(tài)器件，可為瞬態(tài)電壓浪涌提供低阻抗接地路徑，但在所有其他時間提供高阻抗路徑。這允許電源電壓和信號按預(yù)期運(yùn)行，沒有電流通過 TVS，但幾乎可以立即安全地鉗位任何高壓，保護(hù)敏感組件并將多余的浪涌路由到地。

TVS 實(shí)際上是一個 PN 結(jié)二極管，旨在進(jìn)入雪崩模式，這意味著當(dāng)其陰極上的電勢超過預(yù)定水平時，它可以通過非常高的電流。這個水平將取決于應(yīng)用，但重要的特征是結(jié)盡可能快地?fù)舸ㄔ诓坏揭患{秒內(nèi)），因此瞬態(tài)浪涌的處理速度足夠快以避免損壞。TVS 通常與負(fù)載并聯(lián)放置在 0V 和電源軌上，在地和單端信號之間，或者在差分信號對上。

TVS 類似于齊納二極管，但其工作方式略有不同。TVS 不是在相當(dāng)長的時間內(nèi)處理穩(wěn)定電壓，而是設(shè)計為快速擊穿并在更短的時間內(nèi)吸收更多的能量，這與浪涌或瞬態(tài)電壓的曲線相匹配。

汽車電視

在大多數(shù)汽車中，主電壓軌系統(tǒng)為 12V DC，由交流發(fā)電機(jī)的整流和穩(wěn)壓輸出以及電池供電。交流發(fā)電機(jī)是感應(yīng)式的，因此是潛在的瞬態(tài)電壓源。

隨著汽車包含更多的自動化功能，它們包括更多的電動機(jī)，用于為后視鏡、窗戶和座椅等功能提供動力。此外，動力傳動系統(tǒng)的電氣化導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)（例如水泵和油泵）由電動機(jī)驅(qū)動。這些都代表系統(tǒng)上的感性負(fù)載，因此是連接和斷開負(fù)載時瞬態(tài)電壓的潛在來源。

有針對汽車環(huán)境的浪涌保護(hù)的特定標(biāo)準(zhǔn)，包括 ISO 7637-2 和 ISO 16750，而不同國家/地區(qū)有自己的本地標(biāo)準(zhǔn)。圖 1 顯示了這兩個標(biāo)準(zhǔn)定義的 12V 電源軌上的測試脈沖的形狀。

圖 1：汽車行業(yè)使用的測試脈沖示意圖

電路保護(hù)必須能夠處理圖 1 中所示的每個脈沖（脈沖未按比例顯示）。滿足這些要求的設(shè)計可能涉及使用分布在整個系統(tǒng)周圍的多個 TVS 設(shè)備。例如，靠近交流發(fā)電機(jī)的地方可能會有一個主拋負(fù)載 TVS，它的物理尺寸很大，并根據(jù)系統(tǒng)的特性進(jìn)行選擇（圖 2）。剩余的能量需要通過每個模塊內(nèi)的補(bǔ)充 TVS 保護(hù)來消散，并且應(yīng)該使用系統(tǒng)級方法來定義對此的要求。

圖 2：TVS 器件在汽車應(yīng)用中的使用位置示意圖。交流發(fā)電機(jī)和調(diào)節(jié)器周圍的大型設(shè)備（1）；電子模塊周圍的 TVS 和反極性保護(hù) （2）；以及數(shù)據(jù)總線周圍的保護(hù) （3）。

與其他用例相比，在惡劣的環(huán)境中，脈沖曲線下的區(qū)域?qū)⒚黠@更大，對應(yīng)于更多的能量消耗。

這適用于可能需要處理大量能量的汽車應(yīng)用。特別是大型車輛，如卡車和貨車，可能有 24V 電源軌，這意味著保護(hù)必須能夠處理更多的能量。

使用 TVS 設(shè)備保護(hù)安全關(guān)鍵信號

隨著現(xiàn)代汽車包含越來越多的數(shù)據(jù)通信，適用于 CAN、FlexRay 和 LIN 等網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的汽車級 TVS 設(shè)備的使用正在增加。這些網(wǎng)絡(luò)用于在汽車模塊之間進(jìn)行安全關(guān)鍵型通信。

這些信號可能會被比瞬態(tài)浪涌能量更低的噪聲中斷。因此，必須保護(hù)信號和模塊，而不影響信號帶寬。由于 CAN 和 FlexRay 是差分總線，它們需要雙雙向 TVS 來保護(hù)兩條線路

最簡單的 TVS 類型是單向的，用于要保護(hù)的電路區(qū)域始終為正，例如 0 至 5V。單向 TVS 仍然能夠防止正向和負(fù)向瞬變。

相比之下，雙向 TVS 旨在提供跨分軌系統(tǒng)或差分信號方案的瞬態(tài)保護(hù)，以保護(hù)信號免受正負(fù)瞬態(tài)的影響。這些器件可以是對稱的，在兩個方向上具有相同的擊穿電壓水平，也可以是不對稱的，在一個方向上具有更高的反向擊穿電壓。

例如，LIN 總線將采用非對稱雙向 TVS，因?yàn)樾盘柧€很容易因接地變化而在 -15V 和 +24V 之間波動。車輛還可能包括高速數(shù)據(jù)總線，如 USB 和 HDMI，它們需要低電容 TVS 保護(hù)以保持?jǐn)?shù)據(jù)完整性。

TVS電氣特性

TVS 是根據(jù)標(biāo)稱工作電壓指定的。例如，為了保護(hù)在 3.3V 下運(yùn)行的微控制器，可以使用 3.3V 的 TVS。

在這種情況下，實(shí)際指定的參數(shù)是反向工作電壓 （V RWM ），定義為保證器件通過的電壓不會超過最小指定漏電流 I R（例如，小于 10μA）。這意味著 V RWM是 TVS 對電路其余部分的影響可以忽略不計的電壓。

相關(guān)擊穿電壓參數(shù) （V BR ） 是器件將至少傳導(dǎo)指定最小電流 I T（例如，10mA）的點(diǎn)，如圖 3 所示，這是在 I T值處測量的TVS 開始表現(xiàn)強(qiáng)勁的地方。

圖 3：TVS 的設(shè)計與齊納二極管不同，運(yùn)行時間更短

如圖 3 中的虛線所示，V BR可以在很寬的容差范圍內(nèi)變化，因此考慮到受保護(hù)電路的這種變化非常重要。器件的峰值脈沖功率限制或 P PK可在 TVS 的傳輸特性上找到，如圖 4 所示。傳輸曲線與 P PK相交的點(diǎn)表示最大鉗位電壓 （V C ） 和最大峰值設(shè)備的電流（I PP）。

圖 4：典型 TVS 的傳輸特性

脈沖的長度決定了可以吸收的能量量。標(biāo)準(zhǔn)持續(xù)時間和幅度脈沖在國際標(biāo)準(zhǔn)中定義。其中包括 IEC 61000，它涵蓋了快速浪涌，例如由 ESD 放電和雷擊引起的浪涌，并在功率曲線上定義了兩個相關(guān)點(diǎn)：8μs （t1） 和 20μs （t2）——通常稱為 8/20。

另一個相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是 IEC 6164，它處理具有較高能量水平的較慢浪涌，例如感應(yīng)負(fù)載會發(fā)生的浪涌。該標(biāo)準(zhǔn)的時間間隔為 10/1000，等于 10μs （t1） 和 1000μs （t2）。這些數(shù)字用于定義 TVS 性能，如圖 5 所示。請注意，t2 是從 0 開始的總經(jīng)過時間。

圖 5：上圖顯示了如何使用點(diǎn) t1 和 t2 來定義尖峰中的能量，而下圖顯示了 IEC 標(biāo)準(zhǔn)定義的浪涌形狀。陰影區(qū)域代表脈沖的能量。

結(jié)論

瞬態(tài)電壓對敏感集成電路來說是一種永遠(yuǎn)存在的威脅，在汽車應(yīng)用中它們是不可避免的。在許多情況下，TVS 是提供浪涌、尖峰和瞬變保護(hù)的正確組件。

TVS 解決方案的選擇高度依賴于系統(tǒng)，因?yàn)樵O(shè)計差異很大，即使對于相同的最終產(chǎn)品也是如此。Diodes Incorporated 提供廣泛的 TVS 保護(hù)，并與設(shè)計人員密切合作，以充分了解他們的系統(tǒng)要求并推薦定制的 TVS 解決方案。這意味著車輛電子系統(tǒng)的每個部分都可以免受危險瞬變的影響，從而提供更高的可靠性和安全性。