汽车级瞬态电压抑制器,提供专业级保护

 挑战

无论是传统汽车和新能源汽车,安全、绿色、舒适的汽车电子系统是共同的诉求,汽车安全性包括零失效、功能安全和自诊断模块;环境友好性指通过车载网络的使用来减轻车重,从而降低能耗,还包括采用环保材料和工艺;强大的图形图像处理技术,直观友好的人机界面都为驾驶者带来舒适的驾驶体验。

汽车中电子器件的技术含量和数量是衡量汽车性能一个重要标志。随着人们对驾驶的舒适性、安全性、娱乐性和经济性的要求日益苛刻,使汽车电子系统变得更加复杂,汽车中电子器件的数量也越来越多。ABS、电子点火系统、气囊保护和倒车雷达等许多功能现已被当作标准配置,而这还远远不够,因为人们对更精准的汽车控制和娱乐享受的追求没有停歇。

然而,汽车电子的设计者在系统设计过程期间,将面临众多的技术挑战,包括设计各种克服电气危害的电路保护方法。这些系统中电气危害的三大主要来源是静电放电(ESD)、雷电以及电力电子电路中的开关性负载。克服破坏车辆电子设备的瞬态浪涌是设计过程中最大的挑战。

解决方案

汽车电子电路保护包括消除瞬态浪涌,因其将损害控制单元、娱乐系统电子设备、传感器、喷油嘴、阀门、电机、12/24/42V传动系统和水解控制器等等。

Littelfuse瞬态电压抑制器(TVS)保护什么?

如图1所示,力特瞬态电压抑制器为车辆的四大主要类型系统提供保护:安全性系统、高性能系统和低辐射、舒适系统和便捷系统,以及混合动力汽车系统。

现代汽车设计中,所有车载电子设备连接到电池和交流发电机上。如图2所示,交流发电机的输出不稳定,用于为车辆其它系统提供电力前,要求进一步调试。今天,大部份交流发电机具有稳压二极管,从而防止负载波动引起的浪涌电压;但是,这些远远不够。启动或切换感性负载期间,因为断开电池,从而产生尖峰电压或瞬变,如不纠正,这些瞬变会沿着电力线传输,导致个人电子设备和传感器出现故障或永久性破坏车辆电子系统,从而影响整体可靠性。

汽车瞬态浪涌(非ESD)标准TPSMA6L

Littelfuse是瞬态电压抑制二极管产品的主要供应商。LittelfuseTPSMB和TPSMA6L系统瞬态电压抑制二极管可为敏感电子设备提供二次瞬态电压保护、因负载变化引起的瞬变和其它瞬变电压事件。汽车级TVS系列以小封装提供优越的电气性能,允许设计者升级他们的电路保护,而勿须更改其现有设计包装,或在新电路布局中,提供更有力的保护方案。

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图1 车辆系统受到瞬态浪涌危害

交流发电机/调压器组装(实际电路全波整流)

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图2 车辆电气系统中大部分的瞬变由交流发电机造成

12V/24V系统中,负载变化引发的电压波动要求高能瞬态电压抑制二极管。

汽车市场有两大主要标准,概述了瞬态浪涌的防护:日本、美国和国际市场的JASO和ISO7637-2(浪涌)测试。JASO A-1 阐述了14V车辆系统的测试条件;JASO D-1阐述了27V车辆的测试条件。 以下测试标准是国际和美国的测试标准,包括负载变化、开关瞬变和静电放电威胁。

国际标准ISO 7637:

• 适用于公路车辆— 通过传导和耦合进行电气干扰。

美国国家标准:

• SAE(汽车工程师学会)J1113

• GM 9105、ES-F2af-1316-AA 福特 (伟世通)

关于ISO7637-2 脉冲的更多信息:

• 汽车电磁兼容瞬变要求

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图3a 不同脉冲的浪涌波形及其大小

汽车环境测试级别

表 1 各脉冲 ISO7637-2 的测试级别

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• 各脉冲的四种性能级别

–不同 o/c 电压

–负极和正极

–脉冲持续时间 0.1–400ms

–单一脉冲和脉冲串

–瞬变电压抑制及其工作模式

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图 3b 瞬态电压抑制二极管被用于各种汽车系统用作分流/瞬态浪涌保护器

如图3所示,瞬态电压抑制二极管TPSMA6L15A被置放于电子控制单元、传感器、安全气囊、控制器、电机等等之前的保护。交流发电机向电子设备供电时,瞬态电压抑制二极管将防止不希望的瞬变,从而允许直流操作12-14V电压的电气系统。 汽车总线保护

目前最流行的通信总线标准是CAN和LIN母线。

CAN总线(控制区域网络)是一种汽车总线标准,旨在允许微控制器和设备在车辆内相互通信,而勿须主机。

CAN 总线是一种以信息为导向的协议,专门为汽车应用程序设计,但目前同样在其它区域使用,如航空航天、工业自动化和医疗设备。

流行的高速CAN总线协议属于ISO11898-2,在严酷环境下,该区别协议适用于高速(1.0Mbps)和中速(125Kbps)的应用程序。

ISO11898-2母线由CAN_H 和 CAN_L数据线以及共同接地信号组成。其有12V和24V系统,配备不同的总线电压。

表 2 高速 CAN 规范

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LIN (本地连接网络)总线标准是串行网络协议,用于车辆元件之间的通信。随着车辆中技术和设施实现的增长,引发对廉价串行网络的需求,因为使用CAN母线实现汽车中各元件的通信太昂贵。欧洲汽车制造商开始使用不同串行通信拓扑,导致兼容性问题。

新LIN规范首次完全执行版本(LIN版本1.3)于2002年11月出版。2003年9月,引入版本2.0扩张其兼容性,并提供额外的诊断特点。

LIN同样可被用在车辆电源线,配备特殊DC-LIN收发器,这在目前汽车世界中很常见。

表 3 LIN 母线应用程序

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CAN 和 LIN母线应用程序之间的差异

控制区域网络(CAN)系统处理自动力方向盘到临界驱动列车引擎计算机和传输间通信的所有事务。

本地网络连接(LIN)系统处理简单的机电功能,如移动电动座椅和切换巡航控制。

汽车世界中,对CAN/LIN 母线的威胁

由于CAN/LIN母线是汽车内各类控制和监控功能的双线式通信总线,浪涌进入两条电线中的可能性极大,从而造成CAN/LIN收发器故障。以下是这两个总线的保护方法。

CAN 母线保护示意图

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图 4 CAN 总线保护

如图4所示,TPSMB30CA瞬态电压抑制二极管目的是在共模(配备24V系统)中保护两条CAN母线,免受浪涌事件影响。TPSMB24CA是一根600W双向瞬态电压抑制二极管,25.6V反向平衡电压和41.4V最大嵌位电压。保护CAN母线而勿须削弱CAN信号是非常理解的。12V CAN系统中,使用两根TPSMB15CA瞬态电压抑制二极管,而不使用TPSMB24CA。

LIN 母线保护示意图

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图5 LIN 总线保护

LIN收发器的信号范围是+24 /–15V,数据率是2.4kbps 至 20kbps。如图5所见,需要双向非对称瞬态电压抑制二极管配置,从而在不同模式中,保护两根电线。

TPSMA6L24A/TPSMA6L15A 瞬态电压抑制二极管连接反串行模式中,以便出现浪涌事件时,保护两根电线。TPSMA6L瞬态电压抑制二极管是一个600W器件,安置在小型DO-221AC包装中。相同功率处理能力的可选解决方案应是增加一个TPSMB30CA(双向),以保护LIN总线。 ISO763-2 脉冲 5a测试

脉冲5a在力特33V VBR(饱和电压)瞬态电压抑制二极管的测试如下。

表 5 ISO7637-2脉冲 5a中,关于力特瞬态电压抑制二极管的可靠性测试报告

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图6 测试波形和示波器屏幕

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图7 测试电压30V和电流11.34A

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图8 测试电压35V和电流18.85A

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图9 测试电压 36V

结果表明,33V VBR瞬态电压抑制二极管就操作而言,10次均通过ISO7637-2脉冲5中测试标准。测试前后,启动电压的变化非常小,可忽略不计(<0.2%)。

瞬态电压抑制术语

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反向工作电压

使用单向瞬态电压抑制二极管的情况下,反向工作电压是“堵塞方向”中适用的最大峰值电压,没有明显电流。双向瞬变的情况下,可适用两个方向。其具有相同的定义,即最大关断状态电压或最大工作电压。

启动电压

指定DC测试电流中测量的电压,通常是1mA。通常定义指定最小或最大值。

峰值脉冲功率

以瓦或千瓦表示,1ms脉冲宽度。IPP乘以VCL。

最大嵌位电压(VC或VCI)

经受到电大峰值脉冲电流时,整个保护器测量的最大电压。

峰值脉冲电流(IPP)

峰值脉冲电流(IPP)确认瞬态电压抑制二极管可抵挡不受损坏的最大电流。所需IPP仅可通过区分峰值瞬变电压除以电源阻抗决定。注意瞬态电压抑制二极管的失效是短路;如果因瞬变大于数据表规范,而使瞬态电压抑制二极管出现故障,电路仍是受保护的。

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发布日期:2019年03月10日  所属分类:汽车电子