在汽車應(yīng)用中，必須保護敏感的半導(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。瞬時浪涌很容易達到 3kV，并且通常在切換感應(yīng)負載時發(fā)生，例如停止電機。由于大多數(shù)現(xiàn)代集成電路 （IC） 在低直流電壓下運行，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，保護敏感組件并將多余的浪涌路由到地。
TVS 實際上是一個 PN 結(jié)二極管，旨在進入雪崩模式，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)盡可能快地擊穿（在不到一納秒內(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)電機的整流和穩(wěn)壓輸出以及電池供電。交流發(fā)電機是感應(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，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)致機械系統(tǒng)（例如水泵和油泵）由電動機驅(qū)動。這些都代表系統(tǒng)上的感性負載，因此是連接和斷開負載時瞬態(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)電機的地方可能會有一個主拋負載 TVS，它的物理尺寸很大，并根據(jù)系統(tǒng)的特性進行選擇（圖 2）。剩余的能量需要通過每個模塊內(nèi)的補充 TVS 保護來消散，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 （2）；以及數(shù)據(jù)總線周圍的保護 （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，這意味著保護必須能夠處理更多的能量。
使用 TVS 設(shè)備保護安全關(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 來保護兩條線路
最簡單的 TVS 類型是單向的，用于要保護的電路區(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，以保護信號免受正負瞬態(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，因為信號線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，為了保護在 3.3V 下運行的微控制器，可以使用 3.3V 的 TVS。
在這種情況下，實際指定的參數(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，如圖 3 所示，這是在 I T值處測量的TVS 開始表現(xiàn)強勁的地方。
圖 3：TVS 的設(shè)計與齊納二極管不同，運行時間更短
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：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 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、尖峰和瞬變保護的正確組件。
TVS 解決方案的選擇高度依賴于系統(tǒng)，因為設(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，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。
