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TVS在汽車拋負載應用選型設計

發布時間:2022-12-30 來源:Littelfuse 責任編輯:wenwei

【導讀】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,因為太過普遍,很多應用都是參考或延用過往設計,只知其保護效果而不知其根源,本章通過對于拋負載TVS選型計算展開分析,為新項目設計提供思路,該計算方式同樣適用于工業TVS選型應用。


TVS二極管,既瞬態抑制二極管,又叫雪崩擊穿二極管,其工作原理與核心參數在上一章TVS簡介中已經充分展開說明,有需要可以另行閱讀。


TVS的選型開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功率與脈沖時間,如果不知道該參數,可通過后面的計算設計來選型。


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。對于漏電流沒有要求的話,Vr可以等于Vop_max,甚至可以略低于,前提是漏電流不會太大而燒毀TVS。另外工作電壓也沒有上限要求,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工作電壓的關鍵,要求在TVS動作時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寄生電容可能會對信號產生衰變,普通600W TVS結電容會達到幾十pF到幾千pF不等,因此設計時要充分考慮到。


4. 漏電流會對信號產生衰減,因此在設計時也要考慮到。


5. TVS的功率與時間是成反比的,具體計算選型見下方。


相比較而言,拋負載實驗是汽車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的持續時間遠遠大于TVS規格里面10/1000us波形,因此計算與實測驗證相結合的方式來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浪涌波形持續時間;tr為浪涌電壓從10%到90%的爬升時間。


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5B波形實際是5A波形鉗位后的平臺波形,因此5B設計要簡單很多,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動作,從而保證5B TVS免受5A波形沖擊損壞,說白了就是5B波形TVS重點是保護5A以外的小浪涌沖擊。


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TVS二極管反向動態特性可以用動態等效電阻Rc公式來體現,等效電阻斜率如圖中紅線所示。


Vc=Vbr+Ic*Rc


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5A測試等效電路圖如下,在鉗位保護動作時,測試內阻Ri與TVS動態阻抗Rc用來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:


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


●    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TVS等效阻抗關系式可以算出等效電阻Rt,其中Vbr選最小值26.7V:


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在400ms浪涌沖擊下,等效峰值電流Ipp_act為:


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通過此時浪涌波形下的尖峰電流,反推回TVS的鉗位電壓Vc_act:


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此時TVS承受的浪涌功率為Ppp_act:


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


1667532396511869.png


通過斜率系數可以算出400ms所對應的浪涌功率P3:


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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其耐受功率,但是從功率曲線也可以看出,隨著時間增加,其斜率一直在變緩,因此實際TVS在400ms時耐受功率可以超過2000W,這種耐受功率與浪涌功率臨界的狀態需要通過實測去驗證,這里要強調兩點,第一,通常TVS設計都會留有裕量,這種臨界狀態是有很大概率可以通過浪涌沖擊;第二,從設計裕量考慮,可以選擇更大功率產品或者采用2個12V產品串聯方式來解決。


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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選定最大值得出來的結果也即最惡劣的工況。


SLD8S系列作為拋負載專用TVS,規格書同時給出了SOA曲線作為設計參考,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,因此可以極大簡化設計步驟,同時也側面驗證了在臨界狀態下,實測結果更能體現TVS的本身抗浪涌能力以及其設計裕量。


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相比于拋負載專用TVS,常規TVS并沒有給出SOA曲線,細心的小伙伴可以發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,實際普通應用場景浪涌電壓無需疊加,給出監測到的浪涌電壓Vs即可,通過Vs=Vbr+Ipp*(Ri+Rt)公式直接算出浪涌電流,其余步驟與前面一樣,如果算出來的Ppp_act小于所選定的TVS功率,那就表示選型合適,鑒于實際工況浪涌尖峰可能會比預估的要高,條件允許的條件下,留有充足的裕量有助于提高產品整體的可靠性。


來源:Littelfuse

作者:Rambo Liu



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