中心議題：

• 汽車負載突降保護的重要性
• 幾種負載突降保護電路和器件的比較
• 什麼是負載突降
  、相關基礎知識和計算方法的介紹
• 介紹Vishay用於大功率和混合動力汽車負載突降的保護器件

解決方案：

• Vishay大功率矽TransZorb® TVS可用來防止易受攻擊的電路受到電氣過應力的影響
• Vishay的大功率矽TVS的箝位電壓<37 V，滿足汽車應用穩壓器對37 V至40 V最大輸入電壓範圍的要求
• 為滿足75V的最大齊納箝位電壓，1-2個串聯的Vishay負載突降器件即可把負載突降電壓抑製在該電壓

汽車生產狀況及預測
全球輕型汽車產量——百萬輛

42 V係統(包括中型混合動力汽車)——輕型汽車總數百分比


汽車負載突降保護的重要性
今天，汽車中並聯在供電線路上的許多電子控製器和設備與三
、四si十shi年nian前qian生sheng產chan的de汽qi車che有you了le很hen大da的de不bu同tong。那na時shi汽qi車che中zhong的de唯wei一yi的de電dian子zi設she備bei就jiu是shi汽qi車che收shou音yin機ji。今jin天tian，一yi輛liang汽qi車che中zhong配pei備bei了le若ruo幹gan電dian子zi設she備bei，其qi中zhong一yi些xie是shi與yu安an全quan駕jia駛shi有you關guan的de，而er這zhe些xie電dian子zi設she備bei的de故gu障zhang會hui引yin起qi汽qi車che操cao作zuo嚴yan重zhong的de麻ma煩fan。

這類並聯的電子係統如圖1suoshi
，suoyoulianjiezaigongdianxianlushangdedianzixitongdebaohuqijianbukenengpingjunfendanshuntainengliang。shuntainengliangduilianjiedenaxiezuidizukangdebaohuqijiandeyingxiangyouweiyanzhong。yinci，zaiqichedianzishejizhong，yigebaohuqijianyaonenggouanquandichengshoufuzaitujiangzhuangtaishunbiandequanbunengliang。tu2是出現故障的儀表板（cluster panel）負載突降的照片，其故障原因在於，流經這個器件的電流沒有與汽車中另一個電子單元中的其他保護器件共同分擔。





負載突降保護電路和器件的比較
有(you)幾(ji)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)電(dian)路(lu)或(huo)器(qi)件(jian)可(ke)應(ying)用(yong)於(yu)負(fu)載(zai)突(tu)降(jiang)保(bao)護(hu)，而(er)且(qie)一(yi)些(xie)器(qi)件(jian)的(de)製(zhi)造(zao)商(shang)可(ke)以(yi)使(shi)之(zhi)滿(man)足(zu)負(fu)載(zai)突(tu)降(jiang)保(bao)護(hu)功(gong)能(neng)的(de)需(xu)要(yao)。典(dian)型(xing)的(de)瞬(shun)態(tai)電(dian)壓(ya)保(bao)護(hu)可(ke)以(yi)劃(hua)分(fen)為(wei)如(ru)圖(tu)3所示的三種操作類型。



分流型是檢測輸入電壓和接通跨電力線對地的器件。用於分流調節的開關器件或保護電路是晶體管和可控矽。雪崩擊穿二極管、齊納二極管
、可控矽型TVS和MOV是(shi)這(zhe)種(zhong)保(bao)護(hu)類(lei)型(xing)的(de)自(zi)觸(chu)發(fa)器(qi)件(jian)。其(qi)優(you)勢(shi)在(zai)於(yu)簡(jian)單(dan)的(de)結(jie)構(gou)，而(er)不(bu)利(li)則(ze)是(shi)要(yao)求(qiu)開(kai)關(guan)器(qi)件(jian)具(ju)有(you)大(da)功(gong)率(lv)能(neng)力(li)。當(dang)負(fu)載(zai)出(chu)現(xian)故(gu)障(zhang)或(huo)電(dian)氣(qi)短(duan)路(lu)時(shi)，通(tong)常(chang)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)自(zi)恢(hui)複(fu)截(jie)止(zhi)開(kai)關(guan)進(jin)行(xing)大(da)電(dian)流(liu)保(bao)護(hu)。某(mou)些(xie)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)ICjichenglezhegegongneng，yibianweikehutigongjiandandeshejibingjieshengkongjian。qiyoushizaiyubaohuqijianbuxuyaochulidadianliu
，yincikeyijianxiaokongjian

，erquedianshizaifuzaitujiangzhuangtaixiakaiguanjiezhigonglvqijian，xuyaodacunchudianrongqiweifuzaitigongnengliang。

xianxingwenyaqixingzaikongzhigongdianfangmianjuyoulianghaodetexing
，quedianshixuyaodagonglvjingtiguanlaixiaochushuchudianyazhijiandedianyachayiheqijianbenshendegaolangyongdianya。zaiyizhimoxingxia，fuzaitujiangzhuangtaixiadezihuifujiezhihexianxingwenyaqijuyougaozukang，erzhezhonggaonenglianghuiliuxianglianjiedianzihuodianlishebeidebaohuzuichadeqijian。zhejiushitongyongshejituopujiegoudefuzaitujiangbaohucaiyongfenliuxingdeyuanyin。liyongCrow bar和箝位型等操作特性可以將分流型保護電路劃分為兩組。當器件處於導通狀態時
，Crow bar操作類似於電氣短路
，不適用於汽車的保護。



汽車電子係統常見的保護方法是將高電壓值箝製到器件或電路的設定電壓
，而Vishay通用半導體有各種額定功率的用於負載突降保護的產品係列。用於負載突降保護的流行器件是“雪崩擊穿二極管”、“齊納二極管”和“金屬氧化物變阻器”。



金屬氧化物變阻器類似於陶瓷電容器
，其基本結構是合成氧化鋅（ZnO）化合物，它具有雙向擊穿特性，可以無方向保護反向輸入。在結構方麵，多層和多路（multi pass）結構的MOV在響應高能瞬變方麵存在一定的時延。同時，處於連續瞬變下的MOV微粒的疲勞會導致箝位電壓和浪湧能力下降（參見腳注）。

齊納二極管類似於雪崩擊穿二極管

，由於具有比雪崩擊穿二極管更低的浪湧功率能力，其主要應用是調節而不是防止高能量瞬變。Vishay通用半導體的雪崩擊穿二極管型負載突降係列，適用於各種負載突降仿真測試的高能瞬變
，以及快速響應和高可靠性的實際應用。

汽車電子，如電子控製單元、傳感器和娛樂係統，都是連接在一根電力線上。這些電子產品的功率來源是電池和發電機
，兩者的輸出電壓都不穩定

，會受到溫度、操作狀態和其他條件的影響。此外，由於這些係統使用了螺線管負載

，如燃料噴射、氣門
、發動機、電氣和水解控製器
，ESD
、尖峰噪聲和各種瞬變及浪湧電壓都會進入電源及汽車係統的信號線。

[page]
什麼是負載突降？
在引擎運行過程中斷開電池時
，要由發電機向汽車的電力線提供電流
，就會出現最糟糕的浪湧電壓情況。這種情況就是“負載突降”
，大多數汽車製造商和行業協會都為這種負載突降情況規定了一個最高的電壓
、線路電阻和持續時間，如圖A-2所示。這種情況的兩個著名的測試仿真是：用於14 V傳動係統的美國的ISO-7637-2 Pulse 5和日本的JASO A-1

，以及用於27 V傳動係統的JASO D-1。在本節中，我們將討論14 V傳動係統負載突降的TVS應用。


如圖A-3所示，Vishay的大功率矽TransZorb® TVS可用來防止易受攻擊的電路受到電氣過應力的影響，以確保高可靠性。至於初級保護
，TVS可以吸收負突降條件下的高能量。|


I）負載突降測試的規範和結果
表1是用於14 V傳動係統的美國的ISO-7637-2 Pulse 5和日本的JASO A-1測試的仿真。兩項測試的電壓波形如圖A-4a所示。


對ISO-7637-2測試條件來說，標準條件為65 V至87 V的VS範圍，Ri（線路電阻）的範圍為0.5 Ω至4 Ω。一些汽車製造商為基於ISO-7637-2 Pulse 5的負載突降測試規定了不同的條件。負載突降TVS的峰值箝位電流是由以下公式A-1計算出來的：


負載突降狀態的額定功率是由內阻表示的，由該公式得到了一個發電機的內阻
，如公式A-1所示。

以上公式適用於當前傳統的小型旅行車使用的常見的發電機，其線路電阻為：60 A輸出發電機的最小Ri為1.1 Ω，120 A輸出發電機為0.6 Ω。ISO 7637-2規定了負載突降情況下的浪湧條件為5-6-5 c）。

C)在5-6-5測試脈衝的5a和ISO-7637-2的5b中規定了“該脈衝是由峰值電壓Us
、箝位電壓Us*、內阻Ri和脈衝持續時間td決定的；在所有情況下
，低Us值與低Ri和td值有關，而高Us值與高Ri和td值有關。”

但是
，Us
、Ri和td沒有明顯的匹配。汽車工程師們是在汽車製造商的標準下進行器件和電子單元的測試。Vishay每個額定功率的負載突降係列都可以滿足ISO-7637-2的要求，而不僅是汽車製造商的測試規範。


表A-2所示為Vishay的大功率矽TVS在不同測試規範下的測試結果。


這些測試中Vishay的大功率矽TVS的箝位電壓低於37 V，滿足汽車應用穩壓器對37 V至40 V的最大輸入電壓範圍的要求。
圖A-5a所示為JASO A-1測試中SM5A27的電流和電壓波形。



圖A-5b所示為ISO 7637-2測試中負載突降TVS故障的箝位電壓和電流。箝位壓降接近為零，而流經器件的電流增加到了線路電阻允許的最大值。

表A-3所示為Vishay的負載突降TVS在各種負載突降測試條件下的失敗率。SM8S24A是ISO-7637-2 Pulse 5測試最大額定值條件下最強大的器件。


ISO-76372最大測試條件下的峰值電流可以由以下公式計算：

IPP =（Vin – Vc）/Ri =（110 – 35）/0.5 = 150 A

[page]

II）兩組Vishay負載突降TVS
Vishay有兩種類型的汽車電子初級保護負載突降TVS：EPI PARTVS和Non-EPI PARTVS。PAR TVS的產品組列在表A-4當中。

兩組產品在反向偏壓模式下的擊穿工作特性類似。差異在於EPI-PAR TVS在正向模式下具有低VF的特性，而Non-EPI PAR TVS在相同條件下具有比較高的VF，如表A-5所示。這個特性對提供給電力線的反向電壓非常重要。


大多數CMOS IC和LSI的反向電壓能力都十分糟糕。在-1 V以下
，MOSFET的柵極在反向電壓方麵也很薄弱。在反向電源輸入模式下，電力線的電壓與TVS正向壓降（VF）相同。這種反向偏壓模式會引起電路故障。對於這個問題，低正向壓降EPI PAR TVS是一個很好的解決方案。

另一種防止電路受到反向電源輸入影響的方法是在電力線上采用一個極性保護整流器

，如圖A-7所示。一個極性保護整流器應該有足夠的正向電流額定值和正向浪湧

，以及反向電壓能力。Vishay擁有各種用於極性保護以及寬工作溫度範圍和卓越電氣特性的標準整流器和肖特基整流器。備注：所有測試數據均為典型值，而且存在±5 %的容差。

III）汽車電力線的次級保護
汽車係統中保護電路的初級目標是高電位浪湧電壓，但是箝位電壓仍然很高，如表A-1和B-1所示。次級保護對24 V傳動係統尤為重要，如在卡車和貨車當中。其主要原因是汽車應用中大多數穩壓器和DC-DC轉換器IC的最大輸入電壓是45 V至60 V。
在24 V測試條件下
，初級保護TVS的擊穿電壓如表B-1所示。這些將導致在穩壓器、儀表總成集成電路和其他電子設備上出現高電壓。


在電力線上增加電阻器R可以減少瞬態電流，有助於次級保護使用較小功率額定值的TVS。電子單元中微處理器和邏輯電路的電流要求是150 mA至300 mA
，最小輸出電壓的12 V電池在–18℃條件下為7.2 V

，而在相同條件下的24 V電池為14.4 V。
在上述條件下的24 V電池中
，300 mA負載的電源電壓在R = 20 Ω時為8.4 V；在最低電壓為14.4 V的電池（–18℃時的24 V電池電壓）條件下，R = 10 Ω時為11.4 V。


備注：所有測試數據均為典型值
，而且存在±5 %的容差。



圖B-2：JASO D-1測試的箝位電壓和電流波形
采用了20 Ω電阻器的TPSMC36A
- Vc = 37.8 V
- Ipp = 0.7 A


IV）大型發電機和中型混合動力汽車的負載突降保護
一些發電機製造商發布了新一代汽車的大型發電機和集成式起動機/發電機（皮帶傳動發電機（belt alternator）係統或起動-停止係統）。目前的傳統發電機的輸出是14 V，功率為60至120 A
，而應用於汽車的采用改進技術的大功率大型發電機為14 V，220至300 A，這種汽車配備了電動助力便利係統，如電子製動係統、電動助力轉向、信息
、娛樂
、駕駛輔助和其他功能。




用於中型混合動力係統的ISG（集成式起動機/發電機）
，輕型汽車為14 V，120 A，而在製動和停車期間沒有燃料噴射時
，空轉引擎為42 V，60至80 A輸出。

[page]

大型發電機
對於14 V係統的大型發電機來說
，由以下ISO7637-2和ISO-8854的公式1）得出的220 A的發電機內阻為0.33 Ω
，300 A型的內阻為0.24 Ω。


在負載突降條件下，用戶需要抑製35 V的浪湧電壓，浪湧抑製器將處理比同樣條件下的目前傳統發電機更大的電流。圖C-2顯示了Vishay通用半導體各種條件下負載突降係列的最大能力。



SM8S22A可以利用87 V Us條件下的0.5 Ω Ri，65 V Us條件下的0.3 Ω，將汽車電子設備的普通DC-DC轉換器IC或線性穩壓器箝位電壓抑製在37 V以下，以用於引擎ECU
、雨刷控製器、ABS
、安全氣囊，儀表板，雨刷控製器等等。Vishay負載突降係列的這種大功率能力可以成本有效地用於大型發電機的安全運行。請參閱文件I）負載突降測試規範和結果


，II）兩組Vishay負載突降TVS章節了解更多細節信息。

用於中型混合動力汽車的42 V ISG（ISA）
負載突降保護
在長期無視和仍在爭論汽車采用42 V左右的係統的運行安全和穩定性的時候，最近一些中型混合動力汽車使用了42 V電源總線和發電機。42 V電源係統的基本概念是實現比12 V電源係統更高的功率效率和減輕汽車中電力線束的重量。這種新型42 V電源係統對半導體元件的影響在於比12 V係統需要高得多的絕緣強度。



Vishay的負載突降係列為以具有成本效益的方式抑製包括負載突降瞬變在內的瞬變和浪湧做好了準備。

圖C-4所示為DIN和ISO標準提出的規定的電壓水平。
圖C-4考慮到了汽車電子中半導體的最大輸入電壓的約定是75 V的需求，某些Vishay負載突降係列可以滿足42 V電源係統的要求。




為了滿足75 V的最大齊納箝位電壓，一至兩個串聯的Vishay負載突降器件可以根據線路電阻把負載突降電壓抑製在這個電壓。峰值負載突降電壓是由重載卡車應用的27 V係統演變而來的。ISO7637-2規定的42 V發電機的線路電阻是70 A 3.1 Ω，110 A輸出型則為2 Ω。單個SM8S43A或SM8S36A可以將3 Ω線路電阻條件下的174 V的負載突降電壓抑製到55至60 V

，而不出現故障。對於高輸出的42 V發電機來說，在負載突降狀態下內阻會降低而電流將增加，瞬態電壓抑製器可以處理更大的電流。



圖C-6是兩個串聯TVS的典型應用，圖C-7是各種線路電阻和電壓條件下兩個串聯的負載突降TVS的功率能力。


至少

，兩個串聯的SM5S22A箝位負載突降電壓輸入為174 V
，線路電阻為2 Ω，而SM6S22A或SM8S22A具有更低的箝位電壓和更低的線路電阻。


負載突降測試的波形如圖C-8所示，最大箝位電壓為174 V，Ri=1.25 Ω時為6 V±1V，流經負載突降TVS的電流是95至100 A。這將使42 V電源網絡（PowerNet）半導體電平的精度比75 V更低，汽車中每個電子單元的次級保護器件可在這個箝位電壓與最大工作電壓之間的範圍進行箝製。

[page]

42 V電源網絡的反向極性保護
12 V電源係統中的極性反向規範習慣上通常允許在25℃條件下1分鍾以內為–2 V
，而常用解決方案在汽車中每個電子單元的電源輸入線上使用一個整流器，以降低電流損耗
，如圖C-9所示
，這不適用於大電流應用。



極性保護二極管規範是由負載電流和輸入電壓確定的，通常使用400 V級別的標準恢複整流器，因為ISO 7637-2 test pulse 3a的–12 V電源係統為-150 V，而ISO 7637-2 pulse 1的24 V係統為-600 V整流器。

zaigaijindejishuhuozhongxinghunhedongliqichezhongcaiyonglexuduodadianliuyingyong，rutingcheshiwupenshedefadongjiqudongyinqing
，yijizuoweidiandongzhulizhuanxianghedianzizhidongxitongdeyeyadonglikongzhi，douyaoqiudadianliu，erqiezhongxinghunhedongliqichezhongde14 V電力線還需要DC-DC轉換器模塊。



大電流應用極性保護的一種解決方案是使用高正向電流能力的整流器，或者是在電力線中使用沒有極性保護二極管的負載突降TVS，如圖C-10所示。

這種應用的基本工作概念和局限性是
；

• - 負載突降TVS旁路所有反向偏壓電流
• - 大電流時的正向壓降應該低於2 V
• - 高正向浪湧能力可承受大電流，直至保險絲熔斷

Vishay負載突降係列可以滿足上述所有條件，第一個條件是整流器的基本功能
，第二個條件是通過表1滿足的。Vishay負載突降係列的正向壓降在100 A電流條件下低於1.7 V。第三個條件取決於保險絲類型和額定值。

標準型汽車保險絲是快動作和不規定時間與電流關係的。一家典型快動作保險絲製造商規定，在600 %額定值時開路時間最小為30 ms，最大為100 ms。

用於汽車的典型20 A慢動作（slo-blo）型保險絲規定的120 A的開路時間為1秒，400 A時為10 ms。

汽車中電力電纜或普通跳線啟動（jump start）電纜中的電阻為每米0.01 Ω，而計算反向偏壓的浪湧電流的通用規範在14 V條件下為0.035 Ω或0.050 Ω。Vishay負載突降係列SM5S的正向浪湧能力是500 A，SM6S為600 A
，而8.3 ms熱啟動SM8S型為700 A正弦波。每個係列的熔斷率（I2T）是1000 A2S
、1500 A2S和2000 A2S。電路利用了20 A 慢動作型保險絲和反向偏壓的36 V電池
，衝流可以低於700 A峰值（36 V-VF）/0.05 Ω

，而保險絲規範規定的慢動作保險絲的開路時間小於5 ms，SM8S可以旁路這個巨大的電流，而不會造成器件故障或損壞電子單元。

結論
汽車的新趨勢是需要更多的電子控製和更多的電能
，發電機也比過去更大。中型混合動力汽車中使用較大的發電機或集成式起動機/發電機，瞬變和浪湧能量的增加也比負載突降條件下的傳統汽車更多，負載突降保護對汽車安全更加重要，而Vishay半導體元件可以為這個新的趨勢提供方便、簡單、具有成本效益和高可靠性的解決方案。


作者簡曆
Soo Man（Sweetman）Kim曾在韓國的YoungNam大學學習電子工程，自從1987以來擔任Vishay通用半導體的現場應用工程師
，負責整流器和TVS的產品市場應用。