TVS在汽車(chē)拋負載應用選型設計

TVS作為浪涌抑制器，其應用涉及到通信與電源回路的方方面面，因為太過(guò)普遍，很多應用都是參考或延用過(guò)往設計，只知其保護效果而不知其根源，本章通過(guò)對于拋負載TVS選型計算展開(kāi)分析，為新項目設計提供思路，該計算方式同樣適用于工業(yè)TVS選型應用。

TVS二極管，既瞬態(tài)抑制二極管，又叫雪崩擊穿二極管，其工作原理與核心參數在上一章TVS簡(jiǎn)介中已經(jīng)充分展開(kāi)說(shuō)明，有需要可以另行閱讀。

TVS的選型開(kāi)始之前首先要了解一些條件： 

1. 回路最高工作電壓Vop。

2. 后級電路所能承受的最大電壓尖峰Vpk。

3. 該電路的工作頻率，直流工作可以直接無(wú)視該參數。

4. 工作電壓下電路允許的最大漏電流。

5. 所需TVS功率與脈沖時(shí)間，如果不知道該參數，可通過(guò)后面的計算設計來(lái)選型。

初步的TVS選型步驟：

1. 選擇TVS工作電壓Vr，Vr要大于Vop_max，通常選擇1.1~1.2倍。對于漏電流沒(méi)有要求的話(huà)，Vr可以等于Vop_max，甚至可以略低于，前提是漏電流不會(huì )太大而燒毀TVS。另外工作電壓也沒(méi)有上限要求，只要鉗位電壓能保證后級不被打壞即可。

2. 后級電路的耐受電壓尖峰是限定TVS工作電壓的關(guān)鍵，要求在TVS動(dòng)作時(shí)鉗位電壓要低于耐受電壓尖峰。

3. 對于信號端口高頻應用，TVS寄生電容可能會(huì )對信號產(chǎn)生衰變，普通600W TVS結電容會(huì )達到幾十pF到幾千pF不等，因此設計時(shí)要充分考慮到。

4. 漏電流會(huì )對信號產(chǎn)生衰減，因此在設計時(shí)也要考慮到。

5. TVS的功率與時(shí)間是成反比的，具體計算選型見(jiàn)下方。

相比較而言，拋負載實(shí)驗是汽車(chē)浪涌沖擊中條件比較嚴苛的，根據ISO16750-2 (2010) 5A/5B標準定義，其測試條件與波形如下，從測試條件可以看出拋負載實(shí)驗極限工況是內阻Ri設定到最小，脈沖寬度調到最寬，其中350~400ms的持續時(shí)間遠遠大于TVS規格里面10/1000us波形，因此計算與實(shí)測驗證相結合的方式來(lái)選定真正合適的解決方案。

表中Un表示正?；芈返墓ぷ麟妷号c波形圖中的Ua是一樣的；Us表示5A浪涌沖擊峰值電壓；Us*是5B平臺電壓，也是5A對應的保護鉗位電壓；Ri為5A測試對應的系統內阻，在浪涌沖擊中具有限流作用，td浪涌波形持續時(shí)間；tr為浪涌電壓從10%到90%的爬升時(shí)間。

5B波形實(shí)際是5A波形鉗位后的平臺波形，因此5B設計要簡(jiǎn)單很多，TVS工作電壓高于Us*平臺電壓即可，目的是使5B波形 TVS落后于前端5A波形 TVS動(dòng)作，從而保證5B TVS免受5A波形沖擊損壞，說(shuō)白了就是5B波形TVS重點(diǎn)是保護5A以外的小浪涌沖擊。

TVS二極管反向動(dòng)態(tài)特性可以用動(dòng)態(tài)等效電阻Rc公式來(lái)體現，等效電阻斜率如圖中紅線(xiàn)所示。

Vc=Vbr+Ic*Rc

5A測試等效電路圖如下，在鉗位保護動(dòng)作時(shí)，測試內阻Ri與TVS動(dòng)態(tài)阻抗Rc用來(lái)共同限制回路當中的電流峰值，其中峰值電壓為浪涌電壓Vs疊加工作峰值電壓Va，因此：

為了對于TVS選型正確與否展開(kāi)分析，這里需要先確定一些測試所需要的參數。假定在12V車(chē)載系統：

●    工作峰值電壓Ua為13.5V

●    5A波形浪涌峰值電壓Us為85V

●    測試系統內阻Ri為1?

●    脈沖寬度td為400ms

選定Littelfuse SLD8S24A作為此5A波形保護，已知參數如下：

●    10/1000us對應Ipp為180A

●    鉗位電壓Vc為38.9V

●    擊穿電壓Vbrmin為26.7V，Vbrmax為29.5V

通過(guò)TVS等效阻抗關(guān)系式可以算出等效電阻Rt，其中Vbr選最小值26.7V：

在400ms浪涌沖擊下，等效峰值電流Ipp_act為：

通過(guò)此時(shí)浪涌波形下的尖峰電流，反推回TVS的鉗位電壓Vc_act:

此時(shí)TVS承受的浪涌功率為Ppp_act:

查看SL8S功率曲線(xiàn)可以看出，t1 100ms對應功率約為P1 2300W，而t2 200ms約為P2 2200W，此時(shí)對應的功率斜率系數k：

通過(guò)斜率系數可以算出400ms所對應的浪涌功率P3：

從計算結果可以看出TVS需要鉗位的浪涌功率非常接近并略微超過(guò)其耐受功率，但是從功率曲線(xiàn)也可以看出，隨著(zhù)時(shí)間增加，其斜率一直在變緩，因此實(shí)際TVS在400ms時(shí)耐受功率可以超過(guò)2000W，這種耐受功率與浪涌功率臨界的狀態(tài)需要通過(guò)實(shí)測去驗證，這里要強調兩點(diǎn)，第一，通常TVS設計都會(huì )留有裕量，這種臨界狀態(tài)是有很大概率可以通過(guò)浪涌沖擊；第二，從設計裕量考慮，可以選擇更大功率產(chǎn)品或者采用2個(gè)12V產(chǎn)品串聯(lián)方式來(lái)解決。

這里把Vbr選定最大值29.5V重新代入計算，可以算出Ppp_act為2159W，因此Vbr選定最大值得出來(lái)的結果也即最?lèi)毫拥墓r。

SLD8S系列作為拋負載專(zhuān)用TVS，規格書(shū)同時(shí)給出了SOA曲線(xiàn)作為設計參考，從圖中可以看出在Vs 85V，td 400ms，系統的測試電阻Ri大于0.9?都處于安全工作區，因此可以極大簡(jiǎn)化設計步驟，同時(shí)也側面驗證了在臨界狀態(tài)下，實(shí)測結果更能體現TVS的本身抗浪涌能力以及其設計裕量。

相比于拋負載專(zhuān)用TVS，常規TVS并沒(méi)有給出SOA曲線(xiàn)，細心的小伙伴可以發(fā)現前面浪涌尖峰電壓是工作電壓Va與浪涌電壓Vs的疊加，這是拋負載里面常用的尖峰電壓公式，實(shí)際普通應用場(chǎng)景浪涌電壓無(wú)需疊加，給出監測到的浪涌電壓Vs即可，通過(guò)Vs=Vbr+Ipp*(Ri+Rt)公式直接算出浪涌電流，其余步驟與前面一樣，如果算出來(lái)的Ppp_act小于所選定的TVS功率，那就表示選型合適，鑒于實(shí)際工況浪涌尖峰可能會(huì )比預估的要高，條件允許的條件下，留有充足的裕量有助于提高產(chǎn)品整體的可靠性。

來(lái)源：Littelfuse

作者：Rambo Liu