TVS器件的特性及在汽车行业的应用

在汽车应用中，必须保护敏感的半导体元件免受电涌、瞬变和静电放电 （ESD） 的影响。单个瞬态电压尖峰很容易损坏或破坏组件，而即使是相对较低能量的电噪声也可能导致数字通信严重中断。

只要存在高压，瞬变就可能以瞬时或连续浪涌的形式出现，并且可以通过 PCB 走线和电缆传播。瞬时浪涌很容易达到 3kV，并且通常在切换感应负载时发生，例如停止电机。由于大多数现代集成电路 （IC） 在低直流电压下运行，因此瞬变是集成电路和数字信号的常见威胁。

为了阻止这些瞬态，一个常见的解决方案是瞬态电压抑制器 （TVS）。本文将解释 TVS 器件的特性，并讨论它们如何用于汽车应用。

电视解释

TVS 是一种固态器件，可为瞬态电压浪涌提供低阻抗接地路径，但在所有其他时间提供高阻抗路径。这允许电源电压和信号按预期运行，没有电流通过 TVS，但几乎可以立即安全地钳位任何高压，保护敏感组件并将多余的浪涌路由到地。

TVS 实际上是一个 PN 结二极管，旨在进入雪崩模式，这意味着当其阴极上的电势超过预定水平时，它可以通过非常高的电流。这个水平将取决于应用，但重要的特征是结尽可能快地击穿（在不到一纳秒内），因此瞬态浪涌的处理速度足够快以避免损坏。TVS 通常与负载并联放置在 0V 和电源轨上，在地和单端信号之间，或者在差分信号对上。

TVS 类似于齐纳二极管，但其工作方式略有不同。TVS 不是在相当长的时间内处理稳定电压，而是设计为快速击穿并在更短的时间内吸收更多的能量，这与浪涌或瞬态电压的曲线相匹配。

汽车电视

在大多数汽车中，主电压轨系统为 12V DC，由交流发电机的整流和稳压输出以及电池供电。交流发电机是感应式的，因此是潜在的瞬态电压源。

随着汽车包含更多的自动化功能，它们包括更多的电动机，用于为后视镜、窗户和座椅等功能提供动力。此外，动力传动系统的电气化导致机械系统（例如水泵和油泵）由电动机驱动。这些都代表系统上的感性负载，因此是连接和断开负载时瞬态电压的潜在来源。

有针对汽车环境的浪涌保护的特定标准，包括 ISO 7637-2 和 ISO 16750，而不同国家/地区有自己的本地标准。图 1 显示了这两个标准定义的 12V 电源轨上的测试脉冲的形状。

图 1：汽车行业使用的测试脉冲示意图

电路保护必须能够处理图 1 中所示的每个脉冲（脉冲未按比例显示）。满足这些要求的设计可能涉及使用分布在整个系统周围的多个 TVS 设备。例如，靠近交流发电机的地方可能会有一个主抛负载 TVS，它的物理尺寸很大，并根据系统的特性进行选择（图 2）。剩余的能量需要通过每个模块内的补充 TVS 保护来消散，并且应该使用系统级方法来定义对此的要求。

图 2：TVS 器件在汽车应用中的使用位置示意图。交流发电机和调节器周围的大型设备（1）；电子模块周围的 TVS 和反极性保护 （2）；以及数据总线周围的保护 （3）。

与其他用例相比，在恶劣的环境中，脉冲曲线下的区域将明显更大，对应于更多的能量消耗。

这适用于可能需要处理大量能量的汽车应用。特别是大型车辆，如卡车和货车，可能有 24V 电源轨，这意味着保护必须能够处理更多的能量。

使用 TVS 设备保护安全关键信号

随着现代汽车包含越来越多的数据通信，适用于 CAN、FlexRay 和 LIN 等网络标准的汽车级 TVS 设备的使用正在增加。这些网络用于在汽车模块之间进行安全关键型通信。

这些信号可能会被比瞬态浪涌能量更低的噪声中断。因此，必须保护信号和模块，而不影响信号带宽。由于 CAN 和 FlexRay 是差分总线，它们需要双双向 TVS 来保护两条线路

最简单的 TVS 类型是单向的，用于要保护的电路区域始终为正，例如 0 至 5V。单向 TVS 仍然能够防止正向和负向瞬变。

相比之下，双向 TVS 旨在提供跨分轨系统或差分信号方案的瞬态保护，以保护信号免受正负瞬态的影响。这些器件可以是对称的，在两个方向上具有相同的击穿电压水平，也可以是不对称的，在一个方向上具有更高的反向击穿电压。

例如，LIN 总线将采用非对称双向 TVS，因为信号线很容易因接地变化而在 -15V 和 +24V 之间波动。车辆还可能包括高速数据总线，如 USB 和 HDMI，它们需要低电容 TVS 保护以保持数据完整性。

TVS电气特性

TVS 是根据标称工作电压指定的。例如，为了保护在 3.3V 下运行的微控制器，可以使用 3.3V 的 TVS。

在这种情况下，实际指定的参数是反向工作电压 （V RWM ），定义为保证器件通过的电压不会超过最小指定漏电流 I R（例如，小于 10µA）。这意味着 V RWM是 TVS 对电路其余部分的影响可以忽略不计的电压。

相关击穿电压参数 （V BR ） 是器件将至少传导指定最小电流 I T（例如，10mA）的点，如图 3 所示，这是在 I T值处测量的TVS 开始表现强劲的地方。

图 3：TVS 的设计与齐纳二极管不同，运行时间更短

如图 3 中的虚线所示，V BR可以在很宽的容差范围内变化，因此考虑到受保护电路的这种变化非常重要。器件的峰值脉冲功率限制或 P PK可在 TVS 的传输特性上找到，如图 4 所示。传输曲线与 P PK相交的点表示最大钳位电压 （V C ） 和最大峰值设备的电流（I PP）。

图 4：典型 TVS 的传输特性

脉冲的长度决定了可以吸收的能量量。标准持续时间和幅度脉冲在国际标准中定义。其中包括 IEC 61000，它涵盖了快速浪涌，例如由 ESD 放电和雷击引起的浪涌，并在功率曲线上定义了两个相关点：8µs （t1） 和 20µs （t2）——通常称为 8/20。

另一个相关标准是 IEC 6164，它处理具有较高能量水平的较慢浪涌，例如感应负载会发生的浪涌。该标准的时间间隔为 10/1000，等于 10µs （t1） 和 1000µs （t2）。这些数字用于定义 TVS 性能，如图 5 所示。请注意，t2 是从 0 开始的总经过时间。

图 5：上图显示了如何使用点 t1 和 t2 来定义尖峰中的能量，而下图显示了 IEC 标准定义的浪涌形状。阴影区域代表脉冲的能量。

结论

瞬态电压对敏感集成电路来说是一种永远存在的威胁，在汽车应用中它们是不可避免的。在许多情况下，TVS 是提供浪涌、尖峰和瞬变保护的正确组件。

TVS 解决方案的选择高度依赖于系统，因为设计差异很大，即使对于相同的最终产品也是如此。Diodes Incorporated 提供广泛的 TVS 保护，并与设计人员密切合作，以充分了解他们的系统要求并推荐定制的 TVS 解决方案。这意味着车辆电子系统的每个部分都可以免受危险瞬变的影响，从而提供更高的可靠性和安全性。