用于汽车电子保护的TVS

目录

一.TVS的重要参数

①功率等级

②击穿电压VBR

③钳位电压VC

④关态电压VR

⑤ 5.0SMD36A与市场上主流产品参数对比

二.车载电源的初级保护（抛负载）

①什么是抛负载

②抛负载测试的标准

③器件在12V系统中抛负载测试

④器件在24V系统中抛负载测试

⑤器件可靠性测试

三.车载电源线的次级保护

一. 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。

①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。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浪涌测试的8/20

μs脉冲波形，如图2所示。

图1：10/1000 μs 图2：8/20 μs

一. TVS的重要参数

②击穿电压VBR

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。

③钳位电压VC

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1mA或10mA, 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。

④关态电压VR

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 VDC 的电压，向24V电压的电子设备提供36 VDC 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。

一.TVS的重要参数

⑤5.0SMD36A与市场上主流产品参数对比

品牌	Part number	VR	VBR MIN	VBR MAX	IR	IPP	VC
	5.0SMDJ36A	36V	40	44.2	2 μA	86.1	58.1
国内某品牌	5.0SMDJ36A	36V	40	44.2	2 μA	86.1	58.1
国外某品牌	5KASMC36A	36V	40	44.2	2 μA	86.1	58.1

目前国内外主流品牌的TVS在25 ℃时的参数大同小异，基本上没有差别，关键是抗长时间浪涌的能力和其他环境条件下的表现。

二.车载电源的初级保护

①什么是抛负载

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。

抛负载的定义：

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

二.车载电源的初级保护

②抛负载的测试的标准

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传动系统的JASO A-1及针对27V传动系的JASO D-1。而我国的GBT21437.2就是以ISO-7637-2为参考，在此我们就以ISO-7637-2为标准测试。

ISO-7637-2道路车辆来自传导和耦合的电气骚扰--第2部分：仅沿供电源线路的瞬时电传导

本标准规定了安装于乘用车及12V 电气系统的轻型商用车或24V 电气系统的商用车上的设备的传导电瞬态电磁兼容性测试的台架试验，包括瞬态注入和测量。本标准还规定了瞬态抗扰性失效模式严重程度分类。本标准适用于各种独立的动力系统（例如火花塞点火发动机或柴油发动机，或电机）的道路车辆。

而脉冲5a 和5b模拟抛负载瞬态现象。即模拟在断开电池（亏电状态）的同时，交流发电机正在产生充电电流，而发电机电路上仍有其它负载时产生的瞬态；抛负载的幅度取决于断开电池连接时，发电机的转速和发电机的励磁场强的大小。抛负载脉冲宽度主要取决于励磁电路的时间常数和脉冲幅度。大多数新型交流发电机内部，抛负载幅度由于增加限幅二极管而受到抑制（箝位）。

抛负载可能产生的原因是：因电缆腐蚀、接触不良或发动机正在运转时，有意断开与电池的连接。（如保险丝熔断、修理时认为断开蓄电池等）

二.车载电源的初级保护

ISO-7637-25a波形

l

参数	12V系统	24V系统
Us	65V~ 87V	123V~ 174V
Ri	0.5 Ω~4 Ω	1 Ω~8 Ω
td	40ms~400 ms	100ms~350 ms
tr	(10 +0/-5 )ms

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： IPP = (VIN - VC) / Ri

IPP: 峰值箝位电流

VIN: 输入电压

VC: 箝位电压

Ri: 线路阻抗

二.车载电源的初级保护

③器件在12V系统中抛负载测试

测试设备实际波形（87V400ms）

二.车载电源的初级保护

5.0SMD36A和国内某品牌在ISO-7637-2 测试中（87V VS，4ΩRi及400 ms脉冲宽度）电压波形。

国内某品牌A

5.0SMD36A可以满足87V VS，4ΩRi及400 ms脉冲宽度10次（正常要求1-5次）的浪涌冲击，残压53V左右；

国内某品牌A也可以满足87V VS，4ΩRi及400 ms脉冲宽度浪涌冲击，残压54V左右，属于正常范围。

国内某品牌B不能满足87V VS，4ΩRi及400 ms脉冲宽度浪涌冲击，在测试过程中一次或者两次就击穿

Part number	Marking	VR	VBR MIN	VBR MAX	IR	IPP	VC
5.0SMD36A	5PFP	36	40	44.2	2	86.1	58.1

二.车载电源的初级保护

SM8S33A在ISO-7637-2 测试中（87V VS，2ΩRi及400 ms脉冲宽度）的电压波形。

SM8S33A可以满足87V VS，2ΩRi及400 ms脉冲宽度10次的浪涌冲击（一般打1-5次).

Part number	VR	VBR MIN	VBR MAX	IR	IPP	VC
SM8S33A	33	36.7	40.6	10	102	64.7

二.车载电源的初级保护

8KP30CA, 8KP33CA,8KP36CA在ISO-7637-2 测试中（87V VS，1ΩRi及400 ms脉冲宽度）的电压波形

8KP30CA

8KP33CA

8KP36CA

8KP30CA, 8KP33CA,8KP36CA可以满足87V VS，1ΩRi及400 ms脉冲宽度10次的浪涌冲击（一般打1-5次).

Part number	VR	VBR MIN	VBR MAX	IR	IPP	VC
8KP30CA	30	33.3	36.9	2	165.2	48.4
8KP33CA	33	37.7	40.6	2	142.1	56.3
8KP36CA	36	40.0	44.2	2	137.6	58.1

二.车载电源的初级保护

15KP30A在ISO-7637-2 测试中（87V VS，0.5ΩRi及400 ms脉冲宽度）的电压波形

15KP30A可以满足87V VS，0.5ΩRi及400 ms脉冲宽度10次的浪涌冲击（一般打1-5次).

Part number	VR	VBR MIN	VBR MAX	IR	IPP	VC
15KPA30A	30	33.3	36.9	2	297.8	50.7

二.车载电源的初级保护

③ 器件在24V系统中抛负载测试参数设置

实际波形（174V350ms）

二.车载电源的初级保护

SM8S33A在ISO-7637-2 测试中（174V VS，4ΩRi及350 ms脉冲宽度）的电压波形。

SM8S33A可以满足174V VS，4ΩRi及350 ms脉冲宽度10次的浪涌冲击（一般打1-5次).

Part number	VR	VBR MIN	VBR MAX	IR	IPP	VC
SM8S33A	33	36.7	40.6	10	102	64.7

二.车载电源的初级保护

8KP36CA在ISO-7637-2 测试中（174V VS，4ΩRi及350 ms脉冲宽度） 的15KP30A的电压波形

8KP36CA可以满足174V VS，4ΩRi及350 ms脉冲宽度10次的浪涌冲击（一般打1-5次).

Part number	VR	VBR MIN	VBR MAX	IR	IPP	VC
8KP36CA	36	40.0	44.2	2	137.6	58.1

二.车载电源的初级保护

⑤5.0SMDJ36A可靠性测试

产品名称	5.0SMDJ36A		封装类型		SMC
芯片尺寸	160mils		工艺		GPP
测试条件	VBR:40-44.2V@20mA IR<2 μA@VR=36V
序号	实验项目	实验条件		实验周期或时间	抽样数	结果
1	高温直流反偏 HTRB	Ta= 125 ℃ VR= 24 V		168 HRS	10	见下页
2	稳态工作寿命OP-LIFE	Ta = 25℃ Io = IF		168 HRS	10	OK
3	浪涌电流PIF	IFSM = 300 A 8.3ms single half sine wave		1 CYCLE	10	OK
4	间歇工作寿命 PTF	ON = 5 min with rate Io, OFF = 5 min with cool forced air		1000 CYCLES	10	OK
5	压力锅 PCT	Ta = 121℃；P = 29.7psia or 205kpa or 2.088kg/cm2 @humidity=100%		24 HRS	10	OK
6	温度循环 T C	TH = 150 +3/-0℃ , 15 min； TL = -55 +0/-3℃ , 15 min。		10 CYCLES	10	OK
7	高温贮存 HT Storage	Ta = 150±5 ℃		168 HRS	10	OK
8	耐焊接热 Soldering Heat	Ta = 260±5 ℃ ,		10 sec	10	OK
9	高温漏电流 HT-IR	Ta = 100 ±5℃ 100%VR		—	0
10	可焊性 Solderability	Ta =245±5 ℃		10 sec	10	OK

二.车载电源的初级保护

5.0SMDJ36A可靠性测试（高温反偏HTRB测试结果）

产品名称	5.0SMDJ36A					实验项目	HTRB
实验条件	Ta=125 ℃	VR= 36 V				实验周期	168HRS
编号		VBR:40-44.2V@1mA					IR<2 μA@VR=36V
	Initial		Final		Shift	Initial	Final	Shift
1	41.960		41.965		0.01%	1.007	1.008	0.07%
2	41.503		41.516		0.03%	1.027	1.026	-0.09%
3	42.091		42.104		0.03%	0.911	0.910	-0.09%
4	41.697		41.701		0.01%	1.016	1.016	-0.04%
5	41.880		41.885		0.01%	0.808	0.807	-0.12%
6	41.962		41.972		0.02%	0.909	0.908	-0.04%
7	42.130		42.125		-0.01%	1.008	1.008	0.04%
8	42.704		42.704		0.00%	1.009	1.007	-0.17%
9	42.338		42.347		0.02%	1.112	1.105	-0.67%
10	41.779		41.779		0.00%	0.908	0.907	-0.12%
实验结论：	失效数：0，	判定合格

二.车载电源的初级保护

5.0SMDJ36A可靠性测试所使用的一些设备

三.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，如下图所示

初级保护 次级保护

+

R

限流器

负

载

电源线

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。

VL = (Vmin / (Vmin / IL)) × ((Vmin / IL) - R)

VL: 加到负载上的电压 Vmin: 最小输入电压 IL: 负载电流 R: 电阻值 R的功率等级 = I2R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。

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审核编辑 黄宇