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[摘 要]随着汽车电子技术水平的飞速发展，商用车的电子设备越来越多，汽车电子设计的一项主要挑战是保护电子设备（例如电控单元、传感器、影音娱乐系统等）免受电源线上出现的有害浪涌电压、瞬态电压、ESD和噪声的损害。瞬态电压抑制二极管（TVS）是汽车电子保护的理想解决方案，它能以皮秒级相应速度将浪涌电压箝位限值到一个安全的电压范围内，已保护后面的电路不受损坏。本文就TVS在抑制电源瞬态干扰的应用进行分析。
[关键词]TVS；瞬态抑制；电源线；电子设备；商用车
中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0353-02
1. 瞬态电压抑制二极管（TVS）的介绍
1.1 TVS的工作原理
TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬态电压抑制二极管，又称雪崩击穿二极管。它是采用標准的半导体工艺制成的具有单个PN 结或多个PN 结集成的器件。TVS 有单向与双向之分，单向TVS 一般应用于直流供电电路，双向TVS 应用于电压交变的电路。直流应用时单向TVS 反向并联于电路中，当电路正常工作时，它处于截止状态（高阻态），不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到其（雪崩）击穿电压时，TVS 迅速由高阻态突变为低阻态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电压箝位在一个安全水平之内，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，TVS 阻值又恢复为高阻态。其工作原理如图1所示
1.2 TVS的特性参数：
TVS的电路符号与普通稳压二极管相同。它的正向特性与普通二极管相同；反向特性为典型的PN结雪崩器件。图2为单向TVS管的伏安特性曲线，双向TVS管可以等效为两个单向TVS管背靠背串联。下面对TVS主要参数进行说明。
最大反向漏电流IR和额定反向关断电压VRWM：VRWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压，当加在TVS的两极间的电压值小于这个反向电压时，TVS处于反向关断状态，流过它的电流相应小于或等于其最大反向漏电流IR。因此VRWM应大于被保护电路的正常工作电压，否则TVS将会不断截止回路电压；但它又需要与被保护电路的正常工作电压接近，这样才不会使TVS后面的电路面对过压威胁。在商用车24V电源系统中，要求电子设备可承受36V/10min的过电压，而不损坏电路或者引起电路故障，这是在选择VRWM时需考虑的重要因素。
最小击穿电压VBR和击穿电流IT：VBR是TVS最小的击穿电压。25℃时，低于这个电压，TVS是不导通的；当电压增大至VBR时，TVS进入雪崩（反向导通），此时TVS 流过的电流为IT。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把TVS分为±5%和±10%两种。对于±5%的VBR来说，VRWM=0.85VBR；对于±10% 的VBR来说，VRWM=0.81VBR。
最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP：当TVS管承受瞬态高能量冲击时，管子中流过大电流，峰值为IPP，端电压由VRWM值上升到VC值就不再上升了，从而实现了保护作用。浪涌过后，随时间IPP以指数形式衰减，当衰减到一定值后，TVS两端电压由VC开始下降，恢复原来状态。最大箝位电压VC与击穿电压VBR之比称箝位因子Cf，表示为Cf= VC /VBR，一般箝位因子仅为1.2～1.4。VC和IPP反映了TVS抑制浪涌的能力，VC是在浪涌冲击时TVS箝位的最大电压，也就是TVS提供的最大保护电压，它不能大于被保护电路的可承受极限电压，否则器件将面临被损伤的危害。
额定功率（Pppm）：Pppm是TVS能承受的最大峰值脉冲耗散功率，计算公式为Pppm=VC·IPP。在给定的最大箝位电压下，Pppm越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗Pppm下，TVS所能承受的峰值脉冲电流IPP，随着最大箝位电压VC的降低而增加。TVS的额定功率除了和峰值脉冲电流和箝位电压有关外，还和脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。
另外，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，根据TVS器件规定（Bellcore 1089标准，10μs/1000μs脉冲波形），脉冲重复频率（持续时间与间歇时间之比）为0.01%，如不符合这一条件，脉冲功率的积累有可能使TVS烧毁，在设计时应注意这一点。试验证明，TVS安全工作于10000次脉冲后，其最大允许脉冲功率仍为原值的80%以上。
2. 汽车电子电源线的保护
汽车电子设备（电子控制单元、传感器和信息娱乐系统等）其电源线均来自连接于整车的蓄电池及发电机，这两种电源的输出电压都不能保持稳定，容易受工作状态、温度和其他条件影响。此外，整车上的其他燃油喷射系统、电磁阀、雨刮电机、空调风机等电磁线圈类负载，会产生很高的尖峰脉冲电压和其他类型的瞬态和浪涌电压引入到电源和信号线上，如能量不能被吸收，就可能对设备造成永久性损害。因此，汽车设计中必须保护电子设备免受电源线上出现的有害浪涌电压、瞬态电压、ESD和噪声的损害。瞬态电压抑制器（TVS）是汽车电子保护的理想方案，下面主要介绍TVS在汽车电源线中的初级保护和次级保护应用。
2.1汽车电源线的初级保护（抛负载）
一般来说，对车载设备最严酷的考验是，当交流发电机产生充电电流时，断开与蓄电池的连接，其他负载仍然与发电机保持连接，此时，由于输出的电流不会突变，将会在电源线上感生出很高的浪涌电压。这种情况称为“抛负载”，一般用ISO7637-2的脉冲5来模拟这种情形，如图3所示。
抛负载的电源阻抗会高于正常瞬态测试时的电源阻抗，因为电池断开而只有发电机在向外输出电能，这时交流发电机的内部线圈相当于一个限流电阻。在抛负载情况下，交流发电机内阻主要是交流发电机转速和励磁电流的函数。 拋负载测试脉冲发生器内阻Ri的计算式是：
Ri=（10×Unom×Nact）/（0.8×Irated×12000r/min）（根据ISO 8854）
其中，Unom—交流发电机的额定电压，
Nact—交流发电机的实际转速（单位r/min），
Irated—交流发电机转速为6000r/min时的额定电流。
常用的商用车交流发电机的额定电压Unom=27V，额定电流Irated=70A，发电机在转速为6000r/min时达到额定输出电压及电流，此时的发电机内阻根据公式计算为Ri≈2.4Ω。
抛负载脉冲能量是TVS选型的重要参数，其计算式为：
We=（Uo）2 ×RL×td/ （ Ri+ RL）2×4.6） （根据ISO 7637-2）
其中，Uo—开路输出电压，
Ri—脉冲发生器的电源内阻，
RL—脉冲发生器的负载电阻，
td—0.1Us 至0.1Us 的脉冲宽度，
We—单脉冲的能量容量。
用于汽车电子抛负载初级保护的TVS有两类：外延型和非外延型。在反偏模式下，这两组产品具有相似的击穿工作特性。不同之处在于在正向模式下，外延型TVS具有低正向压降（VF）特性，非外延型TVS在相同条件下VF相对较高。在反向电源输入模式中，电源线电压与TVS VF的电压相同，这种反偏模式会引起电子线路故障，外延型TVS的低正向压降能够很好地解决这个问题，如图4所示。
2.2 汽车电源线的次级保护
汽车系统中保护电路的初级对象是高浪涌电压，但是被钳位的电压仍然很高。因此，在商用车电源系统中（24V）的次级保护特别重要。其主要原因是因为大多数稳压芯片和DC-DC转换芯片的最大输入电压是40V～50V。对于此类应用，建议使用图5中的次级保护。
在电源线上增加电阻R可以减小瞬态电流，这样就可以使用更小额定功率的TVS作为次级保护。电子单元中的微控制器和逻辑电路需要的电流为100mA～300mA，在-18℃下24V电池的最小输出电压为18V。假设蓄电池输出为18V，电子部件负载电流为300mA，在R=20Ω时，次级输入电压为12V；在R=40Ω时，次级输入电压为6V。计算公式为：VL=Vmin–IL×R，
其中，VL为次级输入电压，Vmin为最小输入电压，IL为负载电流，R为限流电阻阻值，R的额定功率=I2R。
大多数汽车电子部件内部的稳压芯片和DC/DC转换芯片的输出电压为5V，其要求的最低输入电压约为6V～7V，若低于此电压，则电源转换芯片将不能输出稳定的5V电压，电子部件将无法正常工作，因此要求次级输入电压必须高于电源芯片的最小输入电压。同时限流电阻R的选择要注意功率参数需满足电路要求。
3. 结语
本文详细介绍了TVS的特性参数、应用特点、典型应用，并从整车电源线的初级保护及次级保护两个方面探讨了如何使用TVS的措施，对电路保护设计工程师合理高效应用TVS进行电路保护设计具有一定参考价值。
参考文献
[1] GB/T 21437.2 /ISO7637-2 《道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰第2部分：沿电源线的电瞬态传导》.
[2] ISO 16750《道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验第2部分：电气负荷》.
[3] ISO 8854《道路车辆带调节器交流发电机试验方法》.
[关键词]TVS；瞬态抑制；电源线；电子设备；商用车
中图分类号：TF046.6 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）20-0353-02
1. 瞬态电压抑制二极管（TVS）的介绍
1.1 TVS的工作原理
TVS（Transient Voltage Suppressors），即瞬态电压抑制二极管，又称雪崩击穿二极管。它是采用標准的半导体工艺制成的具有单个PN 结或多个PN 结集成的器件。TVS 有单向与双向之分，单向TVS 一般应用于直流供电电路，双向TVS 应用于电压交变的电路。直流应用时单向TVS 反向并联于电路中，当电路正常工作时，它处于截止状态（高阻态），不影响电路正常工作。当电路出现异常过电压并达到其（雪崩）击穿电压时，TVS 迅速由高阻态突变为低阻态，泄放由异常过电压导致的瞬时过电流到地，同时把异常过电压箝位在一个安全水平之内，从而保护后级电路免遭异常过电压的损坏。当异常过电压消失后，TVS 阻值又恢复为高阻态。其工作原理如图1所示
1.2 TVS的特性参数：
TVS的电路符号与普通稳压二极管相同。它的正向特性与普通二极管相同；反向特性为典型的PN结雪崩器件。图2为单向TVS管的伏安特性曲线，双向TVS管可以等效为两个单向TVS管背靠背串联。下面对TVS主要参数进行说明。
最大反向漏电流IR和额定反向关断电压VRWM：VRWM是TVS最大连续工作的直流或脉冲电压，当加在TVS的两极间的电压值小于这个反向电压时，TVS处于反向关断状态，流过它的电流相应小于或等于其最大反向漏电流IR。因此VRWM应大于被保护电路的正常工作电压，否则TVS将会不断截止回路电压；但它又需要与被保护电路的正常工作电压接近，这样才不会使TVS后面的电路面对过压威胁。在商用车24V电源系统中，要求电子设备可承受36V/10min的过电压，而不损坏电路或者引起电路故障，这是在选择VRWM时需考虑的重要因素。
最小击穿电压VBR和击穿电流IT：VBR是TVS最小的击穿电压。25℃时，低于这个电压，TVS是不导通的；当电压增大至VBR时，TVS进入雪崩（反向导通），此时TVS 流过的电流为IT。按TVS的VBR与标准值的离散程度，可把TVS分为±5%和±10%两种。对于±5%的VBR来说，VRWM=0.85VBR；对于±10% 的VBR来说，VRWM=0.81VBR。
最大箝位电压VC和最大峰值脉冲电流IPP：当TVS管承受瞬态高能量冲击时，管子中流过大电流，峰值为IPP，端电压由VRWM值上升到VC值就不再上升了，从而实现了保护作用。浪涌过后，随时间IPP以指数形式衰减，当衰减到一定值后，TVS两端电压由VC开始下降，恢复原来状态。最大箝位电压VC与击穿电压VBR之比称箝位因子Cf，表示为Cf= VC /VBR，一般箝位因子仅为1.2～1.4。VC和IPP反映了TVS抑制浪涌的能力，VC是在浪涌冲击时TVS箝位的最大电压，也就是TVS提供的最大保护电压，它不能大于被保护电路的可承受极限电压，否则器件将面临被损伤的危害。
额定功率（Pppm）：Pppm是TVS能承受的最大峰值脉冲耗散功率，计算公式为Pppm=VC·IPP。在给定的最大箝位电压下，Pppm越大，其浪涌电流的承受能力越大；在给定的功耗Pppm下，TVS所能承受的峰值脉冲电流IPP，随着最大箝位电压VC的降低而增加。TVS的额定功率除了和峰值脉冲电流和箝位电压有关外，还和脉冲波形、脉冲持续时间和环境温度有关。
另外，TVS所能承受的瞬态脉冲是不重复的，根据TVS器件规定（Bellcore 1089标准，10μs/1000μs脉冲波形），脉冲重复频率（持续时间与间歇时间之比）为0.01%，如不符合这一条件，脉冲功率的积累有可能使TVS烧毁，在设计时应注意这一点。试验证明，TVS安全工作于10000次脉冲后，其最大允许脉冲功率仍为原值的80%以上。
2. 汽车电子电源线的保护
汽车电子设备（电子控制单元、传感器和信息娱乐系统等）其电源线均来自连接于整车的蓄电池及发电机，这两种电源的输出电压都不能保持稳定，容易受工作状态、温度和其他条件影响。此外，整车上的其他燃油喷射系统、电磁阀、雨刮电机、空调风机等电磁线圈类负载，会产生很高的尖峰脉冲电压和其他类型的瞬态和浪涌电压引入到电源和信号线上，如能量不能被吸收，就可能对设备造成永久性损害。因此，汽车设计中必须保护电子设备免受电源线上出现的有害浪涌电压、瞬态电压、ESD和噪声的损害。瞬态电压抑制器（TVS）是汽车电子保护的理想方案，下面主要介绍TVS在汽车电源线中的初级保护和次级保护应用。
2.1汽车电源线的初级保护（抛负载）
一般来说，对车载设备最严酷的考验是，当交流发电机产生充电电流时，断开与蓄电池的连接，其他负载仍然与发电机保持连接，此时，由于输出的电流不会突变，将会在电源线上感生出很高的浪涌电压。这种情况称为“抛负载”，一般用ISO7637-2的脉冲5来模拟这种情形，如图3所示。
抛负载的电源阻抗会高于正常瞬态测试时的电源阻抗，因为电池断开而只有发电机在向外输出电能，这时交流发电机的内部线圈相当于一个限流电阻。在抛负载情况下，交流发电机内阻主要是交流发电机转速和励磁电流的函数。 拋负载测试脉冲发生器内阻Ri的计算式是：
Ri=（10×Unom×Nact）/（0.8×Irated×12000r/min）（根据ISO 8854）
其中，Unom—交流发电机的额定电压，
Nact—交流发电机的实际转速（单位r/min），
Irated—交流发电机转速为6000r/min时的额定电流。
常用的商用车交流发电机的额定电压Unom=27V，额定电流Irated=70A，发电机在转速为6000r/min时达到额定输出电压及电流，此时的发电机内阻根据公式计算为Ri≈2.4Ω。
抛负载脉冲能量是TVS选型的重要参数，其计算式为：
We=（Uo）2 ×RL×td/ （ Ri+ RL）2×4.6） （根据ISO 7637-2）
其中，Uo—开路输出电压，
Ri—脉冲发生器的电源内阻，
RL—脉冲发生器的负载电阻，
td—0.1Us 至0.1Us 的脉冲宽度，
We—单脉冲的能量容量。
用于汽车电子抛负载初级保护的TVS有两类：外延型和非外延型。在反偏模式下，这两组产品具有相似的击穿工作特性。不同之处在于在正向模式下，外延型TVS具有低正向压降（VF）特性，非外延型TVS在相同条件下VF相对较高。在反向电源输入模式中，电源线电压与TVS VF的电压相同，这种反偏模式会引起电子线路故障，外延型TVS的低正向压降能够很好地解决这个问题，如图4所示。
2.2 汽车电源线的次级保护
汽车系统中保护电路的初级对象是高浪涌电压，但是被钳位的电压仍然很高。因此，在商用车电源系统中（24V）的次级保护特别重要。其主要原因是因为大多数稳压芯片和DC-DC转换芯片的最大输入电压是40V～50V。对于此类应用，建议使用图5中的次级保护。
在电源线上增加电阻R可以减小瞬态电流，这样就可以使用更小额定功率的TVS作为次级保护。电子单元中的微控制器和逻辑电路需要的电流为100mA～300mA，在-18℃下24V电池的最小输出电压为18V。假设蓄电池输出为18V，电子部件负载电流为300mA，在R=20Ω时，次级输入电压为12V；在R=40Ω时，次级输入电压为6V。计算公式为：VL=Vmin–IL×R，
其中，VL为次级输入电压，Vmin为最小输入电压，IL为负载电流，R为限流电阻阻值，R的额定功率=I2R。
大多数汽车电子部件内部的稳压芯片和DC/DC转换芯片的输出电压为5V，其要求的最低输入电压约为6V～7V，若低于此电压，则电源转换芯片将不能输出稳定的5V电压，电子部件将无法正常工作，因此要求次级输入电压必须高于电源芯片的最小输入电压。同时限流电阻R的选择要注意功率参数需满足电路要求。
3. 结语
本文详细介绍了TVS的特性参数、应用特点、典型应用，并从整车电源线的初级保护及次级保护两个方面探讨了如何使用TVS的措施，对电路保护设计工程师合理高效应用TVS进行电路保护设计具有一定参考价值。
参考文献
[1] GB/T 21437.2 /ISO7637-2 《道路车辆由传导和耦合引起的电骚扰第2部分：沿电源线的电瞬态传导》.
[2] ISO 16750《道路车辆电气及电子设备的环境条件和试验第2部分：电气负荷》.
[3] ISO 8854《道路车辆带调节器交流发电机试验方法》.