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汽车甩负载TVS独特的瞬态电压抑制应用

2022年05月20日 永济机械设备网

汽车甩负载TVS –独特的瞬态电压抑制应用

瞬态保护在几乎所有电子电路中都是常见的。自包含的汽车电子系统提出了独特的挑战,需要使用不同类型的瞬态电压抑制器(TVS)

几乎所有电子系统都需要受到保护,免受瞬态和浪涌的影响。TVS设备通常用于确保电压过冲不超过规定水平中国机械网okmao.com。特别是,TVS设备用于防止雷击和其他外部电压干扰引起的快速高压瞬变。

汽车制造商面临着另一个挑战,即保护系统免受内部感应的过高能量瞬变的影响。这种所谓的“甩负载”情况要求设备能够安全地耗散该能量,以防止损坏下游电子系统。设计人员需要选择能够满足各种标准规格和各种汽车OEM要求的保护设备,以适用于多种应用,包括卡车和公共汽车,重型设备,建筑设备,电动汽车(EV),混合电动汽车(HEV)以及其他各种类型和尺寸的车辆。

甩负荷条件

当施加和卸下大负载时,例如当反复从交流发电机连接和断开电池时,会导致车辆出现负载突降情况(图2)。在最坏的情况下,当电池完全放电时,此瞬态过冲电压可能会超过100伏,并且源阻抗非常低,持续时间为10s至100s毫秒。如果没有阻尼,这些瞬变无疑将对车辆中的下游电子系统造成严重损害。

图1.连接和断开电池,导致过压瞬变条件(Vp)。

在典型的12伏汽车系统中,这种类型的负载突降情况并不罕见。它可能是由于电池电缆腐蚀或松动引起的,例如,在行驶的冲击和振动过程中,它们不断地连接和断开。由于在车辆行驶过程中连接和断开电缆时的瞬态负载,跳跃起动也会导致发生过压情况。在施加瞬态负载并消除瞬态负载后,任何电力电子系统都不会出现过冲和下冲现象,返回到闭环控制的响应时间将取决于系统的反馈回路响应。汽车系统的不同之处在于,如果不加以限制,在此恢复时间内可用的能量将极具破坏性。

TVS设备的汽车要求

OEM汽车电子系统以及售后市场系统的制造商必须考虑将要用于一次电源的不良电气状况。此外,运输系统的任何电气化都会有类似的用例情况,必须加以防范。图3概述了汽车电气系统环境中最常见的故障情况和产生的波形。

图2.典型的瞬态和浪涌条件,包括负载突降,会影响汽车应用。

电气系统与电池,交流发电机,保险丝盒(接线系统)的“距离越近”,瞬态条件的幅度越大。车辆系统中存在的这些条件的解决方案是半导体TVS设备。瞬态电压抑制器设备实质上是经过优化以钳位电压的专用齐纳二极管。但是,它不像常规的齐纳二极管那样用于调节,而是用于将瞬态电能转换为瞬态热能。TVS设备通常用于确保电压过冲不超过规定水平。TVS器件的应用也很重要,可以防止雷击和其他外部电压干扰引起的快速高压瞬变。

图4显示了典型的TVS应用程序。在瞬变或电涌事件期间,TVS设备会将电压钳位到电气系统其余部分可以安全处理的安全水平,同时还将能量分流足够长的时间以限制电源电流,或者在某些情况下钳位直到电子断路器或保险丝可以断开,以防止进一步损坏。甩负载TVS设备可以承受高达6.6 KW的极高峰值功率,使其成为汽车甩负载应用必不可少的器件。

图3.电路图显示了TVS设备应用,包括负载突降情况。

汽车保护标准和公司特定要求

尽管经过深思熟虑,但最合适的规格通常无法满足对能量水平以及瞬态和电涌的峰值电压的最佳估计。使事情变得复杂的是,随着工艺几何尺寸的减小和工作电压的降低,电子系统变得越来越敏感。因此,任何超出数据手册最大工作规格的偏移都可能导致组件或模块故障。

已经根据地区,特定的OEM和应用用例针对如何测试这些各种故障条件编写了许多汽车标准。在许多需要遵守保护规范的现代汽车和运输/设备应用中,包括船舶,卡车,公共汽车,电动汽车,混合动力汽车,飞机,军事,重型建筑设备,ATV等。

电子设计人员可以与TVS器件供应商紧密合作,加快各种汽车负载突降应用的组件选择过程。作为TVS器件的顶级制造商,台积电已经投资了必要的测试设备,以便能够对测试仪进行编程以使其符合规范。因此,当我们收到客户要求测试各种规格以及各种形式的运输工具的要求时,我们可以迅速为您推荐符合标准的解决方案。图5是典型测试的示例。

图4.实际应用中存在的典型测试脉冲条件。

TVS设备应用有很多与汽车相关的规格和测试条件。表1和表2中的列表并不全面或不完整,但代表了TVS制造商必须满足客户要求所面临的挑战。

表1.行业标准的样本

表1.汽车制造商的自定义规格。

结论

汽车电气系统中的TVS应用容易受到瞬态和浪涌的影响,而更多的电子系统内容易受负载突降条件的影响。这些要求TVS设备能够安全地将高能瞬变避开电子电路,例如在车辆交流发电机与电池断开连接时。除了针对这种情况的众多标准外,从汽车到重型建筑设备的许多汽车制造商都制定了规范。为了满足该应用的要求,TVS制造商必须能够测试和认证其设备的性能,以满足特定制造商的要求。

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