汽車電子設計中的“拋負載”及保護選型

　　隨著汽車成為大眾消費品進入千家萬戶，無論是傳統車輛還是新能源PHEV，車輛的長期安全可靠性成為衡量汽車品質的一個重要指標。而保證汽車安全可靠，除了在汽車電子元器件的車規級的認證選型上需要關注之外，對于汽車電子功能模塊的保護也越來越重要。

　　在汽車電子功能模塊保護上，除了靜電保護(ISO10605)之外，最重要的要算道路行駛車輛的電氣瞬變干擾的保護，也就是我們通常提到的汽車電子的測試標準ISO 7637-2及增強版ISO 16750-2的標準了。

　　首先，先了解一下這兩個標準定義的脈沖

　　在汽車電子系統所有脈沖中，拋負載是常見而且也是危害比較大的一種現象。那么ISO 7637-2與ISO16750-2對于拋負載測試有什么差異？

　　ISO16750-2相比ISO7637-2更為嚴格。在拋負載測試時，新的標準要求10分鐘做10次測試，沒兩次測試間隔1分鐘。而老的標準僅僅需要做一次拋負載測試。

　　在大多數新型交流發電機中，拋負載的電壓幅度已經通過安裝瞬態電壓抑制二極管（TVS）而得到抑制（鉗位）。

　　針對拋負載保護，最有效的方式就是選用瞬態抑制二極管(TVS)進行鉗位保護。

　　在討論5a,5b的保護之前，我們先看看這兩種脈沖能量是否有差異。

　　ISO 7637-2 Pulse 5a-12V TPSMC27A拋負載(load dump)測試

　　ISO 7637-2 Pulse 5b-12V TPSMC27A拋負載(load dump)測試

　　上面的測試結果可以分析出，從拋負載發生器（或者發動機）端，其實5a,5b波形能量大小是沒有差異的。當待測TVS動作，串相同負載條件下，TVS上流過的電流是一樣的，TVS鉗位電壓也是一樣的。

　　但是從拋負載電壓波形上來講，5b相對5a波形是有鉗位（或穩壓），導致負載端承受的電壓遠低于5a的波形。

　　因此，如果在做5a，5b拋負載保護時，若是從被保護器件防止被拋負載能量損壞的角度看，其保護器件的選型應是一致的。

　　然而在實際應用中，通常拋負載產生時，希望TVS動作，將能量導通泄放倒地，那么5a,5b不同的波形下，保護器件TVS實際承受的能量就會有很大的差異。因為只有當TVS導通以后，才會有大電流流過TVS，因此在不同的拋負載測試波形下，TVS實際承受的能量就有了不同。

　　在TVS選型之前，先了解兩種模式下的實驗電壓：

　　不同實驗模式下，對TVS的選型也會有差異。

　　接下來，我們只針對Mode 3 12V系統進行討論。在模式3條件下，測試電壓最大到16V,因此，TVS的Vr（反向截止電壓）通常需要高于16V.

　　對于ISO16750-2 12V系統pulse 5a Us=101V,R1=1?,td=400ms

　　選擇TVS SLD8S24A,那么TVS是否能滿足5a測試

　　TVS導通后承受的電流:

　　Ipp=[(Us+Ua)-Vbr]/(R1+Rd)

　　Vbr:TVS反向擊穿電壓

　　Vc:TVS鉗位電壓

　　Rd:TVS導通時阻抗-----可以通過平移TVS V/I曲線縱坐標到Vbr,會得出一次函數曲線，Rd=(Vc-Vbr)/Ipp

　　查Littelfuse SLD8S24A規格書，計算Rd=(38.9V-26.7V)/180A=0.07?

　　計算TVS導通后流過的電流Ipp=【(101V+12V)-Vbr】/(1?+0.07?)=(112V-26.7V)/1.07?=79.7A 400ms

　　計算TVS上通過的能量（波形近正弦波，可以套用1/2 x I2t x Rd）W=1/2 x(79.7A)2x td x Rd=1/2*6352.09A2x 400ms*0.07?=88.9J（實際導通時間低于td 400ms）

　　計算TVS所能承受的最大能量，查規格書知道8.3ms對應Ifsm是1000A

　　TVS能量Wtvs=(Ifsm)2x t x Rf=(1000A)2x 8.3ms x 0.018?=149.4J

　　Rf:TVS正向導通阻抗，可以通過Vf/100A=1.8V/100A=0.018?

　　100A是規格書定義的測試Vf時的電流

　　對比可以知道，SLD8S24A能滿足pulse 5a測試

　　通過SOA測試驗證，SLD8S24A可以滿足要求

　　除了TVS在汽車電子中常用于脈沖保護之外，MOV也是常見的保護器件。

　　以Littelfuse滿足AEC-Q200的AUMOV選型為例，在12V系統ISO16750-1 5a，Us=101V,Ua=12V;R1=1.5Ω（設定）,td=400ms

　　1:AUMOV導通后承受的電流:

　　Ipp=[(Us+Ua)-Vnom]/(R1+Rd)

　　Vnom:AUMOV的壓敏電壓 1mA

　　Vc:AUMOV鉗位電壓

　　Rd:AUMOV導通時電壓鉗位在Vc時阻抗-----可以通過查AUMOV規格書，以V10E17AUTO為例；Vc=53V Ipk=5A

　　Rd=(Vc-Vnom)/Ipp

　　查規格書，計算Rd=(53V-27V)/5A=5.2?

　　計算導通后流過的電流Ipp=【(101V+12V)-Vnom】/(1.5?+5.2?)=(112V-27V)/6.7?≈12.7A 400ms

　　計算AUMOV上通過的能量(套用1/2 x I2t x Rd）W=1/2 x(12.7A)2x td x Rd=1/2 x 187.69A2x 400ms x 5.2?≈167.7J（實際導通時間低于td 400ms）

　　如果把5a流過AUMOV上的能量折算成40ms寬度脈沖，計算電流大小

　　?x I2x 40ms x(R1+0.9Ω)=167.7J;I2=3493.75A2;I≈59.1A

　　計算V10E17AUTO所能承受的最大能量 400ms

　　1:查規格書知道2ms(方波)對應Wtm=6.5J---Wtm表示MOV所能承受的最大的2ms焦耳能量值

　　計算AUMOV在承受最大Wtm時的導通阻抗Rtm;

　　查規格書曲線2ms時對應的最大電流60A;

　　Wtm=I2x t x Rtm;Rtm=Wtm/(I2x t);Rtm=6.5J/(60A2x 2ms)=0.9Ω

　　2:查規格書可知40ms寬度的Load dump能量25J;

　　計算V10E17AUTO的load dump電流25J=1/2 x I2x 40ms x Rtm;I2=50J/(0.04s x 0.9Ω);I2=13.88 X102A2;I≈37.3A

　　在相同load dump寬度下，可知MOV導通需要承受的5a電流59.1A遠高于V10E17AUTO規格書標稱load dump電流37.3A

　　那么如果換成AUMOV V20E17AUTO型號，是否能滿足呢?

　　計算V20E17AUTO所能承受的最大能量 400ms

　　1:查規格書知道2ms(方波)對應Wtm=35J---Wtm表示MOV所能承受的最大的2ms焦耳能量值

　　計算V20E17AUTO在承受最大Wtm時的導通阻抗Rtm;

　　查規格書曲線2ms時對應的最大電流300A;

　　Wtm=I2x t x Rtm;Rtm=Wtm/(I2x t);Rtm=35J/(300A2x 2ms)≈0.19Ω

　　2:查規格書可知40ms寬度的Load dump能量100J;

　　計算V20E17AUTO的load dump電流100J=1/2 x I2x 40ms x Rtm;I2=200J/(0.04s x 0.19Ω);I2≈2.63 X104A2;I≈162A

　　在相同“拋負載“寬度下，可知V20E17AUTO導通需要承受的5a電流59.1A遠低于V20E17AUTO規格書標稱”拋負載”電流162A

　　通過實驗，可以看到V20E17AUTO能滿足10次Load Dump測試: