汽车电子设计中的“抛负载”及保护选型

随着汽车成为大众消费品进入千家万户，无论是传统车辆还是新能源PHEV，车辆的长期安全可靠性成为衡量汽车品质的一个重要指标。而保证汽车安全可靠，除了在汽车电子元器件的车规级的认证选型上需要关注之外，对于汽车电子功能模块的保护也越来越重要。

在汽车电子功能模块保护上，除了静电保护(ISO10605)之外，最重要的要算道路行驶车辆的电气瞬变干扰的保护，也就是我们通常提到的汽车电子的测试标准ISO 7637-2及增强版ISO 16750-2的标准了。
　　
首先，先了解一下这两个标准定义的脉冲

在汽车电子系统所有脉冲中，抛负载是常见而且也是危害比较大的一种现象。那么ISO 7637-2与ISO16750-2对于抛负载测试有什么差异？
　　
ISO16750-2相比ISO7637-2更为严格。在抛负载测试时，新的标准要求10分钟做10次测试，没两次测试间隔1分钟。而老的标准仅仅需要做一次抛负载测试。
　　
在大多数新型交流发电机中，抛负载的电压幅度已经通过安装瞬态电压抑制二极管（TVS）而得到抑制（钳位）。
　　
针对抛负载保护，最有效的方式就是选用瞬态抑制二极管(TVS)进行钳位保护。
　　
在讨论5a,5b的保护之前，我们先看看这两种脉冲能量是否有差异。
　　
ISO 7637-2 Pulse 5a-12V TPSMC27A抛负载(load dump)测试

ISO 7637-2 Pulse 5b-12V TPSMC27A抛负载(load dump)测试

上面的测试结果可以分析出，从抛负载发生器（或者发动机）端，其实5a,5b波形能量大小是没有差异的。当待测TVS动作，串相同负载条件下，TVS上流过的电流是一样的，TVS钳位电压也是一样的。
　　
但是从抛负载电压波形上来讲，5b相对5a波形是有钳位（或稳压），导致负载端承受的电压远低于5a的波形。
　　
因此，如果在做5a，5b抛负载保护时，若是从被保护器件防止被抛负载能量损坏的角度看，其保护器件的选型应是一致的。
　　
然而在实际应用中，通常抛负载产生时，希望TVS动作，将能量导通泄放倒地，那么5a,5b不同的波形下，保护器件TVS实际承受的能量就会有很大的差异。因为只有当TVS导通以后，才会有大电流流过TVS，因此在不同的抛负载测试波形下，TVS实际承受的能量就有了不同。
　　
在TVS选型之前，先了解两种模式下的实验电压：

不同实验模式下，对TVS的选型也会有差异。
　　
接下来，我们只针对Mode 3 12V系统进行讨论。在模式3条件下，测试电压最大到16V,因此，TVS的Vr（反向截止电压）通常需要高于16V.

对于ISO16750-2 12V系统pulse 5a Us=101V,R1=1Ω,td=400ms
　　
选择TVS SLD8S24A,那么TVS是否能满足5a测试
　　
TVS导通后承受的电流:
　　
Ipp=[(Us+Ua)-Vbr]/(R1+Rd)
　　
Vbr:TVS反向击穿电压
　　
Vc:TVS钳位电压
　　
Rd:TVS导通时阻抗-----可以通过平移TVS V/I曲线纵坐标到Vbr,会得出一次函数曲线，Rd=(Vc-Vbr)/Ipp
　　
查Littelfuse SLD8S24A规格书，计算Rd=(38.9V-26.7V)/180A=0.07Ω
　　
计算TVS导通后流过的电流Ipp=【(101V+12V)-Vbr】/(1Ω+0.07Ω)=(112V-26.7V)/1.07Ω=79.7A 400ms
　　
计算TVS上通过的能量（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*0.07Ω=88.9J（实际导通时间低于td 400ms）
　　
计算TVS所能承受的最大能量，查规格书知道8.3ms对应Ifsm是1000A
　　
TVS能量Wtvs=(Ifsm)²x t x Rf=(1000A)²x 8.3ms x 0.018Ω=149.4J
　　
Rf:TVS正向导通阻抗，可以通过Vf/100A=1.8V/100A=0.018Ω
　　
100A是规格书定义的测试Vf时的电流
　　
对比可以知道，SLD8S24A能满足pulse 5a测试
　　
通过SOA测试验证，SLD8S24A可以满足要求

除了TVS在汽车电子中常用于脉冲保护之外，MOV也是常见的保护器件。
　　
以Littelfuse满足AEC-Q200的AUMOV选型为例，在12V系统ISO16750-1 5a，Us=101V,Ua=12V;R1=1.5Ω（设定）,td=400ms
　　
1:AUMOV导通后承受的电流:
　　
Ipp=[(Us+Ua)-Vnom]/(R1+Rd)
　　
Vnom:AUMOV的压敏电压 1mA
　　
Vc:AUMOV钳位电压
　　
Rd:AUMOV导通时电压钳位在Vc时阻抗-----可以通过查AUMOV规格书，以V10E17AUTO为例；Vc=53V Ipk=5A
　　
Rd=(Vc-Vnom)/Ipp
　　
查规格书，计算Rd=(53V-27V)/5A=5.2Ω
　　
计算导通后流过的电流Ipp=【(101V+12V)-Vnom】/(1.5Ω+5.2Ω)=(112V-27V)/6.7Ω≈12.7A 400ms
　　
计算AUMOV上通过的能量(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 5.2Ω≈167.7J（实际导通时间低于td 400ms）
　　
如果把5a流过AUMOV上的能量折算成40ms宽度脉冲，计算电流大小
　　
½x I²x 40ms x(R1+0.9Ω)=167.7J;I²=3493.75A²;I≈59.1A
　　
计算V10E17AUTO所能承受的最大能量 400ms
　　
1:查规格书知道2ms(方波)对应Wtm=6.5J---Wtm表示MOV所能承受的最大的2ms焦耳能量值
　　
计算AUMOV在承受最大Wtm时的导通阻抗Rtm;
　　
查规格书曲线2ms时对应的最大电流60A;

Wtm=I²x t x Rtm;Rtm=Wtm/(I²x t);Rtm=6.5J/(60A²x 2ms)=0.9Ω
　　
2:查规格书可知40ms宽度的Load dump能量25J;
　　
计算V10E17AUTO的load dump电流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宽度下，可知MOV导通需要承受的5a电流59.1A远高于V10E17AUTO规格书标称load dump电流37.3A
　　
那么如果换成AUMOV V20E17AUTO型号，是否能满足呢?
　　
计算V20E17AUTO所能承受的最大能量 400ms
　　
1:查规格书知道2ms(方波)对应Wtm=35J---Wtm表示MOV所能承受的最大的2ms焦耳能量值
　　
计算V20E17AUTO在承受最大Wtm时的导通阻抗Rtm;
　　
查规格书曲线2ms时对应的最大电流300A;

Wtm=I²x t x Rtm;Rtm=Wtm/(I²x t);Rtm=35J/(300A²x 2ms)≈0.19Ω
　　
2:查规格书可知40ms宽度的Load dump能量100J;
　　
计算V20E17AUTO的load dump电流100J=1/2 x I²x 40ms x Rtm;I²=200J/(0.04s x 0.19Ω);I²≈2.63 X104A²;I≈162A
　　
在相同“抛负载“宽度下，可知V20E17AUTO导通需要承受的5a电流59.1A远低于V20E17AUTO规格书标称”抛负载”电流162A
　　
通过实验，可以看到V20E17AUTO能满足10次Load Dump测试: