原创 TVS在汽车抛负载应用选型设计

2022-12-7 16:35 168 0 分类: MCU/ 嵌入式

【导读】TVS作为浪涌抑制器,其应用涉及到通信与电源回路的方方面面,因为太过普遍,很多应用都是参考或延用过往设计,只知其保护效果而不知其根源,本章通过对于抛负载TVS选型计算展开分析,为新项目设计提供思路,该计算方式同样适用于工业TVS选型应用。

TVS二极管,既瞬态抑制二极管,又叫雪崩击穿二极管,其工作原理与核心参数在上一章TVS简介中已经充分展开说明,有需要可以另行阅读。

TVS的选型开始之前首先要了解一些条件:找电子元器件,上唯样商城。

1. 回路最高工作电压Vop。

2. 后级电路所能承受的最大电压尖峰Vpk。

3. 该电路的工作频率,直流工作可以直接无视该参数。

4. 工作电压下电路允许的最大漏电流。

5. 所需TVS功率与脉冲时间,如果不知道该参数,可通过后面的计算设计来选型。

初步的TVS选型步骤:

1. 选择TVS工作电压Vr,Vr要大于Vop_max,通常选择1.1~1.2倍。对于漏电流没有要求的话,Vr可以等于Vop_max,甚至可以略低于,前提是漏电流不会太大而烧毁TVS。另外工作电压也没有上限要求,只要钳位电压能保证后级不被打坏即可。

2. 后级电路的耐受电压尖峰是限定TVS工作电压的关键,要求在TVS动作时钳位电压要低于耐受电压尖峰。

3. 对于信号端口高频应用,TVS寄生电容可能会对信号产生衰变,普通600W TVS结电容会达到几十pF到几千pF不等,因此设计时要充分考虑到。

4. 漏电流会对信号产生衰减,因此在设计时也要考虑到。

5. TVS的功率与时间是成反比的,具体计算选型见下方。

相比较而言,抛负载实验是汽车浪涌冲击中条件比较严苛的,根据ISO16750-2 (2010) 5A/5B标准定义,其测试条件与波形如下,从测试条件可以看出抛负载实验极限工况是内阻Ri设定到最小,脉冲宽度调到最宽,其中350~400ms的持续时间远远大于TVS规格里面10/1000us波形,因此计算与实测验证相结合的方式来选定真正合适的解决方案。

表中Un表示正常回路的工作电压与波形图中的Ua是一样的;Us表示5A浪涌冲击峰值电压;Us*是5B平台电压,也是5A对应的保护钳位电压;Ri为5A测试对应的系统内阻,在浪涌冲击中具有限流作用,td浪涌波形持续时间;tr为浪涌电压从10%到90%的爬升时间。

14.png

5B波形实际是5A波形钳位后的平台波形,因此5B设计要简单很多,TVS工作电压高于Us*平台电压即可,目的是使5B波形 TVS落后于前端5A波形 TVS动作,从而保证5B TVS免受5A波形冲击损坏,说白了就是5B波形TVS重点是保护5A以外的小浪涌冲击。

15.png

TVS二极管反向动态特性可以用动态等效电阻Rc公式来体现,等效电阻斜率如图中红线所示。

Vc=Vbr+Ic*Rc

16.png

5A测试等效电路图如下,在钳位保护动作时,测试内阻Ri与TVS动态阻抗Rc用来共同限制回路当中的电流峰值,其中峰值电压为浪涌电压Vs叠加工作峰值电压Va,因此:

1667532483891426.png

18.png

为了对于TVS选型正确与否展开分析,这里需要先确定一些测试所需要的参数。假定在12V车载系统:

● 工作峰值电压Ua为13.5V

● 5A波形浪涌峰值电压Us为85V

● 测试系统内阻Ri为1Ω

● 脉冲宽度td为400ms

选定Littelfuse SLD8S24A作为此5A波形保护,已知参数如下:

● 10/1000us对应Ipp为180A

● 钳位电压Vc为38.9V

● 击穿电压Vbrmin为26.7V,Vbrmax为29.5V

通过TVS等效阻抗关系式可以算出等效电阻Rt,其中Vbr选最小值26.7V:

1667532450691075.png

在400ms浪涌冲击下,等效峰值电流Ipp_act为:

1667532434236727.png

通过此时浪涌波形下的尖峰电流,反推回TVS的钳位电压Vc_act:

1667532423869517.png

此时TVS承受的浪涌功率为Ppp_act:

1667532410615862.png

查看SL8S功率曲线可以看出,t1 100ms对应功率约为P1 2300W,而t2 200ms约为P2 2200W,此时对应的功率斜率系数k:

1667532396511869.png

通过斜率系数可以算出400ms所对应的浪涌功率P3:

1667532375940503.png

从计算结果可以看出TVS需要钳位的浪涌功率非常接近并略微超过其耐受功率,但是从功率曲线也可以看出,随着时间增加,其斜率一直在变缓,因此实际TVS在400ms时耐受功率可以超过2000W,这种耐受功率与浪涌功率临界的状态需要通过实测去验证,这里要强调两点,第一,通常TVS设计都会留有裕量,这种临界状态是有很大概率可以通过浪涌冲击;第二,从设计裕量考虑,可以选择更大功率产品或者采用2个12V产品串联方式来解决。

25.png

这里把Vbr选定最大值29.5V重新代入计算,可以算出Ppp_act为2159W,因此Vbr选定最大值得出来的结果也即最恶劣的工况。

SLD8S系列作为抛负载专用TVS,规格书同时给出了SOA曲线作为设计参考,从图中可以看出在Vs 85V,td 400ms,系统的测试电阻Ri大于0.9Ω都处于安全工作区,因此可以极大简化设计步骤,同时也侧面验证了在临界状态下,实测结果更能体现TVS的本身抗浪涌能力以及其设计裕量。

26.png

相比于抛负载专用TVS,常规TVS并没有给出SOA曲线,细心的小伙伴可以发现前面浪涌尖峰电压是工作电压Va与浪涌电压Vs的叠加,这是抛负载里面常用的尖峰电压公式,实际普通应用场景浪涌电压无需叠加,给出监测到的浪涌电压Vs即可,通过Vs=Vbr+Ipp*(Ri+Rt)公式直接算出浪涌电流,其余步骤与前面一样,如果算出来的Ppp_act小于所选定的TVS功率,那就表示选型合适,鉴于实际工况浪涌尖峰可能会比预估的要高,条件允许的条件下,留有充足的裕量有助于提高产品整体的可靠性。

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