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汽车电子TVS管的设计选型

2020-8-6 09:08:26 显示全部楼层
汽车TVS二极管电路保护                        
作者:Steven Keeping        
Digi-Key

控制器局域网 (CAN) 总线是汽车及其他应用的常用总线标准,对过压和过流具有很高的内在抗扰度。但是,由于一辆高档汽车的电路中包含多达 70 个电子控制单元 (ECU),因此设计人员逐渐开始关注雷击和静电放电 (ESD) 等电气瞬变所造成的损坏及其防护。这些单元的高灵敏度增大了故障的风险,并有可能降低汽车的可靠性。

尽管市面上有许多瞬态电压抑制 (TVS) 器件可供选择,但汽车应用常常在成本、重量和可靠性规范方面严格受限。这些限制致使许多较大、较复杂的 TVS 器件排除在选项之外。但是最近,有制造商推出了适用于汽车的 TVS 二极管,提供了一种经济、紧凑和高度可靠的电路保护选择。此外,与某些解决方案不同,TVS 二极管可提高 CAN 收发器的噪声抗扰度,而对高频通信信号完整性的影响可忽略不计。

本文介绍了在高敏感度的 CAN 总线应用中,TVS 二极管如何提供经济的高水平保护。本文将阐释设计选型时,不仅要选择汽车级器件,慎重考虑峰值电压和峰值电流、电容、漏电流和箝位电压也相当关键,从而全面保护敏感的 ECU 和 CAN 收发器。此外,本文还将介绍 Texas Instruments、ON Semiconductor、Bourns 和 Semtech 推出的 TVS 适宜解决方案,并对其正确应用方式予以说明。

CAN 简介

CAN 是由于汽车需要添加更多电子设备,却不希望因此增加接线复杂性和附加线束重量而开发的。CAN 标准规定了支持多个物理层 (PHY) 的可靠对等网络,但最常见的 PHY 主要是针对高速物理层(以双线实现,使原始数据速率达到 1 Mbps)。这种网络允许多个 CAN 设备(如 ECU)之间进行通信。所有连接的 ECU 只需一个 CAN 接口(而不是多个模拟和数字 I/O),即可连接到网络上的任意设备,从而简化了接线,降低了成本。

典型的 CAN 总线差分 (CAN H/CAN L) 方案包括串行总线上的收发器通信。在总线上,节点间的信号传输使用标称特征阻抗为 120 Ω 的双绞线电缆。分支端接拓扑常用于提高电磁干扰 (EMI) 抗扰度(图 1)。
图 1:CAN 总线使用差分通信方案,使收发器能够通过串行总线实现可靠通信。(图片来源:Bourns)

虽然 CAN ECU 和收发器是硅器件,具固有脆弱性,但仍有望能承受极富挑战性的工作条件。例如,大多数汽车制造商必须通过 AEC-Q100 认证,AEC-Q100 是针对汽车电子设备的故障机制型应力测试标准。主要汽车制造商还要符合最新的国际标准(ISO 7637 和 IEC 61000-4-5)。这些标准规定了电气瞬变测试,旨在模拟车辆运行期间由传导和耦合产生的电气干扰。

某些芯片供应商的产品符合这些规范。例如,Texas Instruments 的 SN65HVD1050DRG4 CAN 收发器具有跨线保护、过压保护、接地丢失保护(-27 至 40 V)以及热关断功能。该芯片还可以承受 -200 至 200 V 的电压瞬变,符合 ISO 7637 的规定。

这款高规格器件的一大劣势在于成本过高,而这正是汽车设计中的一大关键考虑因素。其次,虽然硬化设备可能在短时间内能够承受电气瞬变,但反复承受可能会造成设备损坏。第三,雷击和 ESD 可能使汽车电子设备暴露于超出某些标准要求的高电压和大电流。因此采取额外的保护措施,使电气瞬变转移至大地,从而保护敏感的硅器件,对于追求高可靠性的汽车制造商而言,此举大有裨益。

使用二极管抑制瞬态电压

目前,有几种技术可实现瞬态电气保护,通常可分为阻断、抑制或隔离三类。简单来说,阻断保护采用熔断器和断路器,抑制保护采用 TVS 二极管和金属氧化物压敏电阻 (MOV) 等 TVS 器件,隔离保护则采用光耦合器和变压器等隔离设备。

阻断保护有效且经济,但不足之处在于设备触发后,需要更换或重置设备,这在汽车应用中相当不便。然而在天平的另一端,隔离装置虽说绝对有效,也无需更换或重置,但体积庞大、应用复杂且价格昂贵。TVS 器件正好不落两边,通常有效、紧凑且价格适中。

TVS 器件种类多样,包括 TVS 二极管(和 TVS 二极管阵列)、MOV 和专门的瞬态电流抑制器。虽然 TVS 二极管不是性能最佳的 TVS 器件,但经济实惠且坚固耐用(特别是与符合 AEC-Q100 和 ISO 7637 标准的 CAN 节点配合使用时),使其成为空间和成本均受限的汽车应用电路保护的理想之选。

TVS 二极管的 p-n 结横截面积比一般稳压器件大,可吸收较大的瞬态电流。虽然 TVS 二极管的电压/电流特性与齐纳二极管相似,但 TVS 二极管旨在抑制电压而非调节电压。与其他抑制保护设备相比,TVS 二极管的一大关键优势在于对电气瞬变的快速响应(通常在几纳秒内)——将瞬态能量安全转移至大地,同时保持恒定的箝位电压。

从理论上讲,这种保护机制简单易行。在正常工作条件下,TVS 二极管对受保护电路呈高阻抗,但是超过受保护电路的安全工作电压时,TVS 二极管工作于雪崩模式,为瞬态电流提供低阻抗接地通路。受保护电路的最大电压通常不大,且受限于 TVS 二极管的箝位电压。瞬态电流减小后,TVS 器件恢复高阻态(图 2)。
图 2:TVS 二极管为电气瞬变提供接地通路,同时将电压箝制在安全水平,从而保护电路。(图片来源:Semtech)

实际上,CAN 应用的保护电路更为复杂,因为这种网络不仅供电,还需通过差分通信方案传输数据。

CAN 应用中 TVS 二极管的选型

TVS 二极管有两种类型,分为单向与双向。两种二极管均对正负浪涌提供保护,而主要区别在于击穿电压(即器件在雪崩模式下的导通电压,此时器件呈低阻抗)。对于正负脉冲,双向器件具有相同的击穿电压,而单向器件对于负瞬态电压尖峰的击穿电压则低得多(等于二极管的正向偏置电压)。

尽管单向和双向器件可用于相同的应用,但是某些应用中,两种器件的击穿电压特性不同,表现出的优势也就有所不同。例如,CAN 收发器用于数字逻辑 IC 时,单向 TVS 二极管对负脉冲的低击穿电压即可提供出色的保护。

双向 TVS 器件的主要优势之一在于能够解决共模补偿电压问题。出现这种问题是因为 CAN 收发器必须以信号线电压工作,而信号线电压可能相对标称电压偏移达 2.0 V。由于双向 TVS 器件在正负方向上均具有较大的箝位电压,因此不会受信号线电压偏移影响而出现箝位。此外,双向 TVS 二极管还可以直接替代固有双向 MOV。

CAN 总线保护有几种替代拓扑可选。最简单的是使用两个双向 TVS 二极管,一个连接 CAN_H(或 DATA_H)线与地,另一个连接 CAN_L(或 DATA_L)线与地。另一种方式即将双向 TVS 二极管换成单向器件(图 3)。
图 3:根据应用的不同,可以使用双向(左)或单向(右)TVS 二极管。制造商提供的解决方案常常将两个二极管集成在单个封装中。(图片来源:ON Semiconductor)

虽然每个 CAN 数据线可使用单独的 TVS 二极管来保护,但许多制造商都将两个二极管集成在单个封装中。例如,ON Semiconductor 推出的 NUP2105LT1G TVS 二极管,采用紧凑型 SOT−23 封装,可为两个 CAN 数据线提供双向保护。该器件可承受的峰值功率耗散为 350 W。NUP1105LT1G 是等效的单向器件。

一旦设计人员确定了拓扑结构,就必须仔细挑选工作特性符合应用需求的 TVS 二极管,因为这一步决定了电路的性能。

双向 TVS 二极管的主要器件参数包括:

  • 反向工作电压 (VRWM) - 即最大直流工作电压。在该电压下,二极管处于非导通状态,其作用相当于高阻抗的电容器。
  • 反向击穿电压 (VBR) - 器件在雪崩模式下导通并变为低阻抗时的电压(通常在 1 mA 电流下测得)。
  • 峰值脉冲电流 (IPP) - 器件特定的最大浪涌电流。
  • 最大箝位电压 (VC) - IPP 下,二极管两端的最大压降。
  • 反向漏电流 (IR) - VRWM 下测得的电流。
  • 测试电流 (IT) - VBR 下的电流(图 4)。
图 4:双向 TVS 二极管的电压/电流特性,其中说明了主要器件参数。(图片来源:ON Semiconductor)

CAN 规范详细规定了收发器的主要特性,以此便可确定用于瞬态电气保护的 TVS 二极管所需具备的特性。主要参数包括:
  • 最小/最大总线电压分别为 -3.0/16 V(12 V 系统)
  • 最小/标称 CAN_L 共模总线电压分别为 -2.0/2.5 V
  • 标称/最大 CAN_H 共模总线电压分别为 2.5/7.0 V
  • 建议接触 ESD ≥±8.0 kV
  • 符合 ISO 7673-3/IEC 61000-4-5 浪涌电流脉冲抗扰度要求

开发人员首先应考虑的参数是 VRWM 和 VBR。满足这两个参数对于正常工作来说足够了,此时 TVS 二极管呈高阻抗状态,但不能太高,以免 CAN 收发器未暴露于危险的高电压就发生了导通。请注意,虽然汽车电气系统通常使用 12 V 电池运作,但大多数系统会设计成在紧急情况下跳至 24 V 启动。选择 TVS 二极管时应考虑到这一点。

例如在 1 mA 下,ON Semiconductor NU2105L 的 VRWM 为 24 V,VBR 为 26.2 V。Bourns 的 CDSOT23-T24CAN CAN 总线保护器包含两个具有相同规格的双向 TVS 二极管,集成在单个 SOT-23 封装中。

接下来,开发人员应检查 TVS 二极管的最大电容。大电容会破坏信号的完整性。数据速率越快,电容应该越小。根据经验,数据速率为 125 Kbps 时,信号线与地之间的最大电容最好为 100 pF,1 Mbps 时为 35 pF。请注意,有些规格书显示为 0 V 电压下的电容,而另一些则显示 CAN 收发器平均电压即 2.5 V 下的电容。此外,两个差分信号的电容应相匹配,以维持放大器输出信号脉冲宽度的完整性。

例如,0 V 和 1 Mbit/s 时,Bourns 的 CDSOT23-T24CAN 信号线与地之间的电容为 22 pF。Semtech 的 UCLAMP2492SQTCT 包含两个双向 TVS 二极管,集成在单个 SOT-23 封装中,专为 CAN 总线抗浪涌而设计,信号线与地之间的电容为 15 pF(0 V 和 1 Mbit/s 时)。

选型时,应选择反向漏电流 (IR) 较小的器件,以最大限度地提升系统能效。请注意,IR 会随温度升高而增大,因此在选择器件时务必考虑工作条件。例如,NUP2105L 在 25 °C 时 IR 为 0.1 µA,而 UCLAMP2492SQTCT 器件在 25 °C 时 IR 为 0.2 µA,125 °C 时为 0.35 µA。

最后,开发人员应确保 TVS 二极管能够耗散非重复性电气瞬态浪涌的能量,而不至于损坏器件,并且电气瞬态峰值电流下的箝位电压不会损坏 CAN 收发器。

IEC 61000-4-5 是国际电工委员会 (IEC) 发布的标准,规定了浪涌抗扰度的测试方法,详细阐示了用于确定 TVS 二极管性能的典型浪涌波形。波形在 8 µs 内达到峰值的 90%,并在 20 µs 内衰减到峰值的 50%。规格书中通常将其称为“8/20 µs 波形”(图 5)。
图 5:IEC 61000-4-5 中规定的波形参数 ("8/20 µs") 示例,用于 TVS 二极管的浪涌抗扰度测试。(图片来源:Bourns)

Bourns 的 CDSOT23-T24CAN TVS 器件对 11 A 浪涌电流的 8/20 µs 波形响应如图 6 所示。该制造商给出的 5 A 浪涌电流的最大箝位电压为 36 V,8 A 浪涌电流为 40 V。ON Semiconductor 的 NUP2105L 在对应浪涌电流下的最大箝位电压分别为 40 V 和 44 V,峰值耗散功率为 350 W,而 Semtech 的 UCLAMP2492SQTCT 在 5 A 浪涌电流下为 44 V。
图 6:Bourns 的 CDSOT23-T24CAN 对 11 A 浪涌电流的 8/20 µs 波形响应。请注意,TVS 二极管封装对瞬态浪涌电流作出了快速响应,并将峰值电压箝制在 36.4 V。(图片来源:Bourns)

一旦开发人员为项目选择了合适的 TVS 二极管,就必须慎重考虑印刷电路板的最佳布局以获得最佳性能。最重要的原则是,一旦在过压情况下导通,TVS 二极管就须将有害的浪涌引导至接地平面,安全耗散浪涌能量,从而保护 CAN 收发器。

例如,Bourns 建议 SOT-23 器件应尽量靠近总线连接器,与信号线的连接印制线尽可能短。该公司还建议使用 10 mil、1 oz 的标准铜印制线,这样才能足以承受典型电气瞬变的峰值电流。使用较短印制线和通孔,将器件的接地引脚连接到印刷电路板的接地平面。最后,如果 TVS 二极管的信号侧附近有接地平面,则应直接连接到接地平面(图 7)。
图 7:Bourns CDSOT23-T24CAN 的推荐印刷电路板布局。采用 SOT-23 封装的 TVS 二极管应尽量靠近 CAN 总线连接器。(图片来源:Bourns)

总结

在保护 CAN 总线设备免受雷击和 ESD 等极端事件影响方面,成本、空间和重量的限制也限制了解决方案的范围。不过,TVS 二极管能在这些限制和保护性能之间取得平衡,获得让人比较能接受的结果。成功实现的关键在于 TVS 二极管的电气特性就与应用须严格匹配,以确保既不影响 CAN 总线的正常工作,又能发挥保护作用。
近期推出的紧凑型 (SOT-23) 解决方案专为汽车 CAN 应用而设计,集成单向或双向 TVS 器件,不仅简化了元器件选型,还减少了设计复杂度和空间要求。

参考资料
  • Circuit Configuration Options for TVS Diodes, AND8231/D, ON Semiconductor, March 2017.
  • TVS Diode Selection Guidelines for the CAN, AND8181/D, ON Semiconductor, August 2004.

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Awen

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Awen 2020-8-6 09:21:48 显示全部楼层
汽车电子器件应该还需要过车规级认证的
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