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汽车电子模块的瞬态电压抑制器(TVS)

2020-05-06 16:05 来源:电源网编译 编辑:咩咩

用于保护电子电路的设备是插入系统或印刷电路板上的组件,其作用是保护下游电路免受各种有害或破坏性事件的影响。防瞬变保护是电子系统的现实保障,并且变得越来越重要。

数字电路对尖峰电压的敏感度随工作频率的增加而增加,几纳秒和几百伏的短电压瞬变足以损坏集成电路。

瞬态电压抑制器(TVS)是用于保护易受攻击的电路免受电瞬变影响的设备。

TVS的最重要特征是它必须比任何其他设备更快地响应电涌。在汽车领域,工程师面临许多挑战。特别是一种保护电子设备免受各种电源干扰的方法,例如静电放电(ESD)和功率电子电路中的开关负载。解决瞬态浪涌可能损坏车辆电子器件的问题是该市场中的最大挑战之一。

瞬态和TVS

瞬态是暂时的电压或电流峰值或电涌,可能会影响电路的运行。在某些情况下,瞬态是重复性的,例如由电动机控制中的电感性组件引起的瞬态,而另一些情况则是断断续续的,例如ESD。

瞬态电流可能是由浪涌电流引起的。在感性负载的电源切换过程中,电池被断开,从而产生有害的瞬变,从而导致各个电子组件和传感器发生故障。

由于事件中涉及的大量能量,“负载突降”是电源瞬变中最关键的部分。当交流发电机为电池充电并且与电池的连接失败时,会发生这种情况。这与电源断开高电流负载的任何其他电力电子情况相似。系统需要有限的时间才能从基于反馈环路瞬态响应的瞬态加载/卸载条件中恢复,从而使系统恢复到闭环电压调节状态。在此期间,如果不使用TVS设备,则会发生过压情况。对于瞬态保护,设计者的选择是TVS。由于电池断开连接,连接到交流发电机的其他负载在电源线中会发生过压。此过电压的电压峰值可以达到120 V,并且过电压最多需要400毫秒才能衰减。它在12 V车辆中通常卡在40 V,在24 V系统中大约60V。峰值强度取决于许多因素,包括交流发电机的转速以及在断开连接之前提供给电池的电流。

负载突降TVS是汽车电气模块的基本保护装置。其目标主要是通过限制负载突降模式期间产生的浪涌电压来保护电子系统。各种汽车标准规定了一种标准形式的负载释放脉冲,汽车电子元件可以在这种脉冲上进行设计。

瞬态电压抑制器(TVS)是该领域中用于保护电路免受电压和电流瞬变影响的设备。在TVS内,有害的电压尖峰受到坚固的硅PN结的阻止作用的限制,该结将瞬态幅度减小到无损水平。 TVS设备的一种类型是瞬态电压抑制二极管,一种用于稳压电路的齐纳二极管。

“这是一个齐纳二极管,通常用于调节应用,你把它设定在一定的电压,它保持在那个电压,所以随着电流的增加,电压保持不变。这是一个齐纳二极管它的特点是只要超过一定的能量,它就能将100%的能量尽可能的转移到电路中,它将其转化为热量并将其耗散,这样它就不会进入电路并造成破坏。”台积电的Kevin Parmenter FAE主任说,TVS设备是专门设计的齐纳二极管,在夹紧过压状态时,将瞬态电能转化为瞬态热能。当发生瞬变时,TVS立即钳位以将峰值电压限制在安全水平。

TVS二极管的作用是在额定相位时不产生任何影响,然后在高压瞬变的情况下立即将电流引到地。反向工作最大电压(VRWM)、击穿电压(VBR)、峰值脉冲电流(IPP)是识别电视的参数。反向工作最大电压的定义是可以施加到TVS二极管上的电压,以确保在整个过程或温度下二极管不传导大量电流。相反,击穿电压(VBR)是TVS二极管开始传导电流的电压。峰值脉冲电流(peak pulse current, IPP),定义为在二极管本身过热和失效之前能够分流的最大冲击电流(图1)。

汽车电子模块的瞬态电压抑制器(TVS)

图1:减缓电池断开影响所需的TVS设备[来源:台积电]


一个新的选择

台积电日前发布了TLD5S/6S/8S系列AEC-Q101高功率单向瞬态电压浪涌抑制器(TVS)。该设备提供高达6000W的脉冲功率耗散,非常适合用于关键负荷转储应用程序,如果电池断开的话,旨在保护板载电子设备免受发电机产生的高压冲击。

“在汽车电气系统中,电池用于帮助调节车辆中的电压,如果失去了与电池的连接或电池变干了,或者如果移除了高电流负载并快速启动交流发电机,一段时间后,会产生非常大的百伏电压和瞬态电压。由于交流发电机的完全不规则输出试图补偿电路中的空载电路,并且会炸毁车辆中的每个模块,因此有大量的势能可供使用。因此,在我们大型汽车OEM的推动下,我们受到鼓舞,我们以形状和功能设备进入行业市场,采用行业标准DO-2018-AB封装的行业标准甩负荷TVS设备。我们已经在包括汽车TVS在内的TVS市场上占据了领导地位,但这将家庭用电从150瓦扩展到了6.6千瓦的峰值。由于每个电气系统稍有不同,我们有不同的电压装置。帕门特说:“我们有完整的电压范围,可以满足人们使用的所有电压范围,包括48伏、汽车系统、混合动力汽车等等。

TLD系列可以添加到台积电提供的AEC-Q系列产品中。这些设备完全符合AEC-Q101标准,符合ISO7637-2 / ISO16750-2电涌规范和IEC 61000-4-2 (Level: 4) / ISO 10605 (Level: L4)静电放电规范。该系列具有适用的隔离电压的设备也符合日本JASO A-1 (14V)和JASO D-1 (27V)的负载突降要求。所有TLD系列设备符合RoHS指令2011/65/EU,符合WEEE 2002/96/EC,根据IEC 61249-2-21无卤素要求,符合J-STD-020的湿度敏感等级1。此外,TSC还为客户的规范提供定制测试(图2)。

汽车电子模块的瞬态电压抑制器(TVS)

图2:ISO 16750-2负载突降测试[来源:台积电]

TVS在PCB中的位置也决定了响应效率。通过将其尽可能靠近电源放置,电感效应会降低,响应速度也会更高。 PCB上焊盘布局的大小必须与用于封装的散热器匹配,以使器件完美匹配,从而减小TVS器件与PCB之间的热阻。为了提高散热能力,由于器件被设计为将瞬态热能转换为瞬态热能,因此应有效利用PCB区域。

本文编译自powerelectronicsnews。

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