V I S H AY I N T E R T E C H N O L O G Y, I N C. 瞬态电压抑制器(TVS) DIODES 用于汽车电子保护的 CAPABILITIES w w w. v i s h a y. c o m
半导体 产品列表 MOSFET IC 低压 TrenchFET 功率 MOSFET 中压 TrenchFET 功率 MOSFET 高压平面 MOSFET 高压超级节 MOSFET 功率 IC 模拟开关 整流器 肖特基整流器超快恢复整流器标准和快速恢复整流器高功率整流器 / 二极管 小信号二极管 肖特基和开关二极管齐纳二极管调谐器 / 电容二极管频带转换二极管射频 PIN 二极管 保护二极管 TVS 二极管或 TRANSZORB ( 单向 双向 ) ESD 保护二极管 ( 包含阵列 ) 被动元件 晶闸管 /SCR 相控晶闸管快速晶闸管 电源模块 输入模块 ( 二极管和晶闸管 ) 输出和转换模块 ( 包括 MOSFET IGBT 和二极管 ) 定制模块 光电子 红外线发射器和探测器光传感器红外线遥控接收器光耦合器光电晶体管, 光敏达林顿管线性光耦合器光敏晶闸管高速光耦合器 IGBT 和 MOSFET 驱动器固态继电器 LED 和 7 段显示器红外线数据收发器模块定制产品 电阻产品 膜电阻金属膜电阻薄膜电阻厚膜电阻金属氧化膜电阻碳膜电阻绕线电阻 Power Metal Strip 电阻贴片保险丝可变电阻金属陶瓷可变电阻绕线可变电阻导电塑料可变电阻网络 / 排阻非线性电阻 NTC 热敏电阻 PTC 热敏电阻变阻器 磁性产品 电感器变压器 电容产品 钽电容器模压片式钽电容器带涂层的片式钽电容器固体通孔钽电容器液体钽电容器陶瓷电容器多层芯片式电容器圆盘电容器薄膜电容器功率电容器大电流电容器铝电容器
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目录 TVS 的重要参数 4 功率等级 4 击穿电压 (V BR ) 4 最大击穿电压 (V C : 箝位电压 ) 4 关态电压 (V WM : 工作关态反向电压 ) 4 车载电源的初级保护 ( 抛负载 ) 5 什么是抛负载? 5 抛负载测试的标准和结果 5 两组抛负载 TVS 8 车载电源线的次级保护 9 目录 3
TVS 的重要参数 TVS 的重要参数 汽车设计中的一个主要挑战是保护汽车电子设备 ( 如控制单元 传感器及娱乐系统等 ) 免受破坏性的浪涌 电压瞬变 ESD 及电源线噪声的损害 使用瞬态电压抑制器 (TVS) 是保护汽车电子设备的理想解决方案 接下来, 我们将讨论 TVS 器件的关键参数 功率等级 关态电压和最大击穿电压 功率等级 TVS 的功率等级是在特定的测试或应用条件下的浪涌吸收能力 Vishay 的 TVS 产品使用业内标准的 10/1000 μs 脉冲波形 (Bellcore 1089 标准 ) 做为测试条件, 如图 1 所示 这个测试条件不同于 TVS ESD 测试的 8/20 μs 脉冲波形, 如图 2 所示 图 1:TVS 的测试波形 图 2:TVS ESD 的测试波形 100 % 10 µsec I PPM 10/1000 µsec 100 % 8 µsec 8/20 µsec I PPM T V S 的重要参数 50 击穿电压 (V BR ) (20 µsec) 1.0 I PPM 2 2.0 ms 50 10 20 µsec I PPM 2 击穿电压是是器件进入雪崩击穿的电压, 根据数据表中指定的电流进行测试 最大击穿电压 (V C : 箝位电压 ) 在指定的峰值脉冲电流等级下, 出现在 TVS 上的箝位电压等级 TVS 的击穿电压是在非常低的电流下测得的, 如 1 ma 或 10 ma, 与应用条件中实际的雪崩电压是不同的 因此, 半导体制造商会指明在大电流条件下的典型或最大击穿电压 关态电压 (V WM : 工作关态反向电压 ) 关态电压是指 TVS 未被击穿时的最大电压, 是电路中不在通常条件下工作的保护器件的重要参数 在汽车应用中, 一 些汽车电子产品的调节是由 阶跃保护 实现的 这种测试条件是在 10 分钟内, 向 12V 的电子设备提供 24 V DC 的电压, 向 24V 电压的电子设备提供 36 V DC 的电压, 而不造成损坏或电路的故障 因此, 对汽车电子产品来说, 关态电压是 TVS 器件的一个关键参数 图 3: 电压和电流参数 正向电流 V WM I F V BR 反向电压 V C I R V F 正向电压 I PP 反向电流 4
车载电源的初级保护 ( 抛负载 ) 车载电源的初级保护 ( 抛负载 ) 汽车电子产品, 如电子控制单元, 传感器和娱乐系统是接到一个电源上的 这些电子产品的电源是电池或发电机, 由于受到温度 工况和其他条件的影响, 电池或发电机的输出电压不稳定 此外, 使用燃油喷射 阀 电机 电和水解控制器等电磁负载的汽车系统会把 ESD 尖峰噪声和几种瞬态和浪涌电压引入到电源和信号线中 图 4: 典型汽车电源总线 A ESD TCU ECU ABS... 什么是抛负载? 当引擎正在运转, 发电机正向汽车的电源线输送电流时, 如果电池突然断开, 就会产生最严重的浪涌电流 这种情况也被称为 抛负载, 大多数汽车制造商和行业组织都规定了在这种抛负载情况下的最大电压 线路阻抗和持续时间, 如图 5 所示 两个知名的试验模拟了这种条件 : 美国的 ISO-7637-2 Pulse 5, 和日本针对 14V 传动系的 JASO A-1 及针对 27V 传动系的 JASO D-1 在本小节, 我们假定 TVS 用在 14V 动力系中的抛负载情况下 图 5: 在抛负载情况下, 发电机的输出电压发电机的输出电压 A V P V B 车载电源的初级保护 ( 抛负载 ) 抛负载测试的标准和结果 美国的 ISO-7637-2 Pulse 5 和 Japan 针对 14V 动力系的 JASO A-1 测试模拟结果见表 1 表 1:14V 动力系的主抛负载测试条件 JASO A-1 V Total (V P ) (V) V S (V) VA (V) R i (Ω) 时间 (ms) 70 12.0 0.8 200 1 88 12.0 1.0 200 1 循环时间 ISO 7637-2 Pulse 5 78.5 to 100.5 65 to 87 13.5 0.5 to 4.0 400 1 5
车载电源的初级保护 ( 抛负载 ) 图 6:ISO-7637-2 测试条件 : 标准条件是 VS 为 65 V~87 V,Ri( 线路阻抗 ) 范围是 0.5Ω~4Ω V 100 线路阻抗和脉冲宽度 JASO A-1: 0.75 Ω 200 ms ISO-7637: 0.5 Ω ( 最小值 ).(0.5~4 Ω) 400 ms ( 最大值 ).(40~400 ms) V S V P 50 ISO 7637 V B + 10 % of V S JASO A-1 36.8 % of V P V (V B ) 0 100 200 300 400 ms 车载电源的初级保护 ( 抛负载 ) 一些汽车制造商根据 ISO-7637-2 Pulse 5, 采用了不同的条件进行抛负载测试 抛负载 TVS 的峰值箝位电流可以用下面的公式来估算 : 计算峰值箝位电流 : I PP = (V IN V C ) R i I PP : 峰值箝位电流 V IN : 输入电压 V C : 箝位电压 R i : 线路阻抗 图 7a 显示了在 ISO-7637-2 测试中 (87 V V S 13.5 V V batt 0.75 Ω R i 及 400 ms 脉冲宽度 )Vishay 的 SM5S24A 的电流和电压波形 图 7a:SM5S24A 在 ISO-7637-2 测试中的箝位电压和电流 6
车载电源的初级保护 ( 抛负载 ) 图 7b 显示了在 ISO-7637-2 测试中 (87 V V S 13.5 V V batt 0.5 Ω R i 及 400 ms 脉冲宽度 ) 抛负载 TVS 故障的箝位电压和 电流 箝位电压几乎降到了零, 通过器件的电流增加到线路抗阻所能允许的最大值 图 7b: 在 ISO-7637-2 测试中, 抛负载 TVS 故障的箝位电压和电流 图 7c 显示了在 ISO-7637-2 Pulse 5 测试条件下 (13.5V V batt 及 400ms 脉冲宽度 ),Vishay 抛负载 TVS 的最大箝位能力 图 7c: 在 ISO-7637-2 测试中,Vishay 抛负载 TVS 的最大箝位能力 车载电源的初级保护 ( 抛负载 ) R i 0.5 Ohm 0.75 1.00 SM8S24A SM8A27 SM6S24A SM6A27 SM5S24A 1.25 SM5A27 1.50 6KA24 65 76 87 V V S 7
车载电源的初级保护 ( 抛负载 ) 两组抛负载 TVS 有两种用于汽车电子初级保护的抛负载 TVS:EPI PAR TVS 和非 EPI PAR TVS 在反偏模式中, 两个产品组具有近似的工作击穿特性 区别在于,EPI PAR TVS 在正向模式下具有低正向电压降 (V F ) 特性, 而非 EPI PAR TVS 在同样条件下的 V F 相对高一些 这个特性对加在电源线上的反向电压是很重要的 大多时候,CMOS IC 和 LSI 只能承受非常低的反向电压 MOSFET 的栅极也只能承受 -1V 或更低的反向电压 在反向的电源输入模式中, 电源线的电压与 TVS 正向电压降 (V F ) 的电压相同 这种方向偏置模式会导致电路故障 低正向电压降的 EPI PAR TVS 能很好地解决这个问题 另一种电源输入反接的保护方法是在电源线中使用极性保护整流器, 如图 8 所示 极性保护整流器应当具有足够的正向额定电流 正向浪涌及反向电压 图 8: 反偏状态 车载电源的初级保护 ( 抛负载 ) 反向电源输入 + 电流 TVS V F 受保护负载 8
车载电源线的次级保护 车载电源线的次级保护 汽车系统中保护电路的首要目标是高浪涌电压, 但箝位电压也很高 在卡车和小货车的 24V 动力系中, 次级保护尤其重要 其主要原因是, 用于汽车应用的多数稳压器和 DC-DC 转换器 IC 的最大输入电压是 45 V~60 V 对于此类应用, 建议使用次级保护, 如图 9 所示 图 9: 次级保护电路 瞬态电压 箝位电压 箝位电压 电源线初级保护次级保护 R 限流器 在电源线上加入电阻 R, 可以减小瞬态电流, 这样可以在次级保护中使用功率等级更小的 TVS 电子单元中的微处理器 和逻辑电路需要 150 ma~300ma 的电流, 在 - 18 C 温度下,12V 电池的最小输出电压是 7.2 V,24V 电池在同样条件下 的最小输出电压是 14.4V 在上述条件下的 24V 电池中, 在 R = 20Ω 和 300mA 负载时的供电电压是 8.4V, 在 R = 10 Ω 和 电池最小电压为 14.4 V( 在 - 18 C 温度下 24V 电池的电压 ) 时的供电电压是 11.4V 负载 车载电源线的次级保护 V L = (V min (V min I L )) ((V min I L ) R) V L : 加到负载上的电压 V min : 最小输入电压 I L : 负载电流 R: 电阻值 R 的功率等级 = I 2 R 这个供电电压要高于大多数稳压器和 DC/DC 转换器 IC 的最小输入电压 9
半导体 : MOSFET IC 整流器 小信号二极管 保护二极管 晶闸管 /SCR 电源模块 光电子 被动元件 : 电阻产品 磁性产品 电容产品 世界上最大的制造商之一分立半导体和被动元件 全球销售联系方式 美洲 美国 VISHAY AMERICAS ONE GREENWICH PLACE SHELTON, CT 06484 UNITED STATES 电话 : +1-402-563-6866 传真 : +1-402-563-6296 亚洲 新加坡 VISHAY INTERTECHNOLOGY ASIA PTE LTD. 37A TAMPINES STREET 92 #07-00 SINGAPORE 528886 电话 : +65-6788-6668 传真 : +65-6788-0988 中国 VISHAY CHINA CO., LTD. 15D, SUN TONG INFOPORT PLAZA 55 HUAI HAI WEST ROAD SHANGHAI 200030 P.R. CHINA 电话 : +86-21-5258 5000 传真 : +86-21-5258 7979 日本 VISHAY JAPAN CO., LTD. SHIBUYA PRESTIGE BLDG. 4F 3-12-22, SHIBUYA SHIBUYA-KU TOKYO 150-0002 JAPAN 电话 : +81-3-5466-7150 传真 : +81-3-5466-7160 欧洲 德国 VISHAY ELECTRONIC GMBH GEHEIMRAT-ROSENTHAL-STR. 100 95100 SELB GERMANY 电话 : +49-9287-71-0 传真 : +49-9287-70435 法国 VISHAY S.A. 199, BLVD DE LA MADELEINE 06003 NICE, CEDEX 1 FRANCE 电话 : +33-4-9337-2727 传真 : +33-4-9337-2726 英国 VISHAY LTD. SUITE 6C, TOWER HOUSE ST. CATHERINE S COURT SUNDERLAND ENTERPRISE PARK SUNDERLAND SR5 3XJ UNITED KINGDOM 电话 : +44-191-516-8584 传真 : +44-191-549-9556 BuildVishay into your Design VMN-PL0463-1111