車(chē)輛電壓保護——將電壓水平保持在限度內

車(chē)輛中可能會(huì )短暫存在高電壓，而僅比規定電壓高出幾伏就足以損壞高度敏感的IC器件。因而針對靜電放電 (ESD)、拋負載(load dump)脈沖和瞬變提供充分保護是至關(guān)重要的。

現代車(chē)輛中的所有車(chē)載電子設備都連接到電池和交流發(fā)電機（圖1）。車(chē)輛交流發(fā)電機是一個(gè)三相發(fā)電機，產(chǎn)生的交流電壓通過(guò)整流二極管轉換為脈沖直流電壓，其電壓水平的波動(dòng)取決于當前的功率要求，包括發(fā)電機（發(fā)動(dòng)機）的速度和擋風(fēng)玻璃加熱、車(chē)燈、信息娛樂(lè )系統等設備。

我們可以使用穩壓器使得車(chē)載電壓和充電電壓盡可能保持恒定，并保護電氣系統免受過(guò)壓影響。它們基本上由大功率齊納二極管組成。

然而，根據車(chē)輛的運行狀態(tài)，許多其他電氣故障可能會(huì )給電氣系統帶來(lái)負擔。例如，啟動(dòng)器可能會(huì )出現 8 到 16 V 之間的電壓波動(dòng)，或者繼電器的切換和接觸引線(xiàn)的松動(dòng)會(huì )帶來(lái)電壓顯著(zhù)增加的非常短暫瞬態(tài)事件。如果不加以修正，這些瞬變將會(huì )沿著(zhù)電力線(xiàn)傳播，導致單個(gè)電子元件和傳感器發(fā)生故障，或永久性損壞車(chē)輛的電子系統。

拋負載脈沖具有極高瞬態(tài)尖峰電壓

最大的威脅是拋負載脈沖，它會(huì )給網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)持續數毫秒的高瞬態(tài)能量峰值。交流發(fā)電機運行時(shí)斷開(kāi)電池，或者腐蝕導致連接不良，便會(huì )發(fā)生這些情況。然后，由于負載不足，交流發(fā)電機將車(chē)輛電氣系統的電壓推升至極高的水平。交流發(fā)電機具有高繞組電感，因此需要相對較長(cháng)的時(shí)間（大約是 Transil 脈沖時(shí)間的一千倍以上）才可再次穩壓調節變化的負載狀況。

圖片來(lái)源：儒卓力

圖 1：所有車(chē)載電子設備都連接到汽車(chē)電池和交流發(fā)電機

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圖 2：幾乎所有車(chē)輛系統都使用二極管來(lái)防止過(guò)壓

ISO 7637-2標準描述了車(chē)輛電氣系統中可能出現的電壓尖峰，分成五種脈沖類(lèi)型（E1 到 E5），各有不同幅度和持續時(shí)間。拋負載脈沖屬于 E5類(lèi)型，它們進(jìn)一步劃分為未帶有集中式拋負載抑制保護的脈沖 5a（圖 3）和帶有集中式拋負載抑制保護的脈沖5b（圖 4）。

圖片來(lái)源：www.demvt.de

圖 3：未帶有集中拋負載保護的拋負載典型波形（ISO7637-2 脈沖 E5a）

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圖 4：考慮集中拋負載保護的脈沖 5b，鉗位電壓US*因項目而異。

為了展示對拋負載的抑制保護功能，機動(dòng)車(chē)輛的電子系統必須通過(guò) ISO 16750 標準(ISO-16750-2 5b) 中規定的相關(guān)測試。在這種情況下，必須使用瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管，該器件將ISO-16750-2 脈沖 5b 的拋負載浪涌限制在最大鉗位電壓，從而防止損壞車(chē)輛的電子設備。

集中鉗位電壓對于其他組件過(guò)高

如果交流發(fā)電機上或交流發(fā)電機中的TVS 二極管的集中式集成鉗位電壓 US* 太高，而無(wú)法確保對下游電子元件進(jìn)行充分保護，則必須使用具有較低鉗位電壓的本地TVS二極管。集中式集成 TVS二極管被旁路或短路，而不會(huì )消耗任何負載突降能量。因此，由于較早開(kāi)始鉗位操作，所有拋負載能量都將在鉗位電壓較低的 TVS二極管上進(jìn)行耗散。結果是對應于 ISO 16750-2 5a 脈沖的波形（沒(méi)有集中式拋負載保護）。

由于脈沖具有特別高的能量并且可以持續長(cháng)達 400 ms時(shí)間，因此需要具有高能量的 TVS 二極管。儒卓力的產(chǎn)品組合包括來(lái)自不同供應商的一系列 TVS 二極管產(chǎn)品，用于符合 ISO 7637-2 標準的二次瞬態(tài)電壓保護（參見(jiàn)表格）。例如，Littelfuse 的 SLDXX 系列 TVS 二極管可提供所需的能量。它們專(zhuān)門(mén)設計用于防止因感性負載切換和發(fā)電機負載突降而造成損壞。這些二極管具有出色的特性，從 0 V 到 BVmin 的快速響應時(shí)間低于1 ps，其堅固耐用的 P600 軸向引線(xiàn)封裝符合行業(yè)標準。

在選擇拋負載保護二極管時(shí)，需要根據特定應用而考慮某些參數：交流發(fā)電機的內阻 Ri 會(huì )導致短路電流 Ipp，而Ipp 乘以鉗位電壓 Vcl則是拋負載操作必須降低達到的數值，從而得到保護二極管必須處理的功耗數值。

本地TVS二極管區域內的集中式鉗位電壓

另一方面，如果交流發(fā)電機中 TVS 二極管的集中式集成鉗位電壓在本地 TVS 二極管的電壓范圍內，則應用脈沖 5b標準，即采用具有集中式拋負載保護的方法。然后在本地 TVS 二極管上產(chǎn)生較低的拋負載功率浪涌。在這種情況下，本地TVS二極管的工作電壓應略高于集中式鉗位電壓方案的鉗位電壓。為此，建議使用Littelfuse 系列TPSMB、TPSMC 和 TPSMD，以及 SZ1SMB、SZP6SMB、SZ1SMC 和 SZ1.5SMC產(chǎn)品。

作者：儒卓力標準產(chǎn)品銷(xiāo)售經(jīng)理Emilia Mance