TVS在汽車拋負載應用選型設計

TVS作為浪涌抑制器，其應用涉及到通信與電源回路的方方面面，因為太過普遍，很多應用都是參考或延用過往設計，只知其保護效果而不知其根源，本章通過對于拋負載TVS選型計算展開分析，為新項目設計提供思路，該計算方式同樣適用于工業TVS選型應用。

TVS二極管，既瞬態抑制二極管，又叫雪崩擊穿二極管，其工作原理與核心參數在上一章TVS簡介中已經充分展開說明，有需要可以另行閱讀。

TVS的選型開始之前首先要了解一些條件： 

1. 回路最高工作電壓Vop。

2. 后級電路所能承受的最大電壓尖峰Vpk。

3. 該電路的工作頻率，直流工作可以直接無視該參數。

4. 工作電壓下電路允許的最大漏電流。

5. 所需TVS功率與脈沖時間，如果不知道該參數，可通過后面的計算設計來選型。

初步的TVS選型步驟：

1. 選擇TVS工作電壓Vr，Vr要大于Vop_max，通常選擇1.1~1.2倍。對于漏電流沒有要求的話，Vr可以等于Vop_max，甚至可以略低于，前提是漏電流不會太大而燒毀TVS。另外工作電壓也沒有上限要求，只要鉗位電壓能保證后級不被打壞即可。

2. 后級電路的耐受電壓尖峰是限定TVS工作電壓的關鍵，要求在TVS動作時鉗位電壓要低于耐受電壓尖峰。

3. 對于信號端口高頻應用，TVS寄生電容可能會對信號產生衰變，普通600W TVS結電容會達到幾十pF到幾千pF不等，因此設計時要充分考慮到。

4. 漏電流會對信號產生衰減，因此在設計時也要考慮到。

5. TVS的功率與時間是成反比的，具體計算選型見下方。

相比較而言，拋負載實驗是汽車浪涌沖擊中條件比較嚴苛的，根據ISO16750-2 (2010) 5A/5B標準定義，其測試條件與波形如下，從測試條件可以看出拋負載實驗極限工況是內阻Ri設定到最小，脈沖寬度調到最寬，其中350~400ms的持續時間遠遠大于TVS規格里面10/1000us波形，因此計算與實測驗證相結合的方式來選定真正合適的解決方案。

表中Un表示正常回路的工作電壓與波形圖中的Ua是一樣的；Us表示5A浪涌沖擊峰值電壓；Us*是5B平臺電壓，也是5A對應的保護鉗位電壓；Ri為5A測試對應的系統內阻，在浪涌沖擊中具有限流作用，td浪涌波形持續時間；tr為浪涌電壓從10%到90%的爬升時間。

5B波形實際是5A波形鉗位后的平臺波形，因此5B設計要簡單很多，TVS工作電壓高于Us*平臺電壓即可，目的是使5B波形 TVS落后于前端5A波形 TVS動作，從而保證5B TVS免受5A波形沖擊損壞，說白了就是5B波形TVS重點是保護5A以外的小浪涌沖擊。

TVS二極管反向動態特性可以用動態等效電阻Rc公式來體現，等效電阻斜率如圖中紅線所示。

Vc=Vbr+Ic*Rc

5A測試等效電路圖如下，在鉗位保護動作時，測試內阻Ri與TVS動態阻抗Rc用來共同限制回路當中的電流峰值，其中峰值電壓為浪涌電壓Vs疊加工作峰值電壓Va，因此：

為了對于TVS選型正確與否展開分析，這里需要先確定一些測試所需要的參數。假定在12V車載系統：

●    工作峰值電壓Ua為13.5V

●    5A波形浪涌峰值電壓Us為85V

●    測試系統內阻Ri為1?

●    脈沖寬度td為400ms

選定Littelfuse SLD8S24A作為此5A波形保護，已知參數如下：

●    10/1000us對應Ipp為180A

●    鉗位電壓Vc為38.9V

●    擊穿電壓Vbrmin為26.7V，Vbrmax為29.5V

通過TVS等效阻抗關系式可以算出等效電阻Rt，其中Vbr選最小值26.7V：

在400ms浪涌沖擊下，等效峰值電流Ipp_act為：

通過此時浪涌波形下的尖峰電流，反推回TVS的鉗位電壓Vc_act:

此時TVS承受的浪涌功率為Ppp_act:

查看SL8S功率曲線可以看出，t1 100ms對應功率約為P1 2300W，而t2 200ms約為P2 2200W，此時對應的功率斜率系數k：

通過斜率系數可以算出400ms所對應的浪涌功率P3：

從計算結果可以看出TVS需要鉗位的浪涌功率非常接近并略微超過其耐受功率，但是從功率曲線也可以看出，隨著時間增加，其斜率一直在變緩，因此實際TVS在400ms時耐受功率可以超過2000W，這種耐受功率與浪涌功率臨界的狀態需要通過實測去驗證，這里要強調兩點，第一，通常TVS設計都會留有裕量，這種臨界狀態是有很大概率可以通過浪涌沖擊；第二，從設計裕量考慮，可以選擇更大功率產品或者采用2個12V產品串聯方式來解決。

這里把Vbr選定最大值29.5V重新代入計算，可以算出Ppp_act為2159W，因此Vbr選定最大值得出來的結果也即最惡劣的工況。

SLD8S系列作為拋負載專用TVS，規格書同時給出了SOA曲線作為設計參考，從圖中可以看出在Vs 85V，td 400ms，系統的測試電阻Ri大于0.9?都處于安全工作區，因此可以極大簡化設計步驟，同時也側面驗證了在臨界狀態下，實測結果更能體現TVS的本身抗浪涌能力以及其設計裕量。

相比于拋負載專用TVS，常規TVS并沒有給出SOA曲線，細心的小伙伴可以發現前面浪涌尖峰電壓是工作電壓Va與浪涌電壓Vs的疊加，這是拋負載里面常用的尖峰電壓公式，實際普通應用場景浪涌電壓無需疊加，給出監測到的浪涌電壓Vs即可，通過Vs=Vbr+Ipp*(Ri+Rt)公式直接算出浪涌電流，其余步驟與前面一樣，如果算出來的Ppp_act小于所選定的TVS功率，那就表示選型合適，鑒于實際工況浪涌尖峰可能會比預估的要高，條件允許的條件下，留有充足的裕量有助于提高產品整體的可靠性。

來源：Littelfuse

作者：Rambo Liu