針對車載24V系統(tǒng)拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象的過壓保護電路設(shè)計

唐含涵 譚廷慶 周亞棱

（中國汽車工程研究院股份有限公司電動汽車工程技術(shù)研發(fā)中心）

針對車載24V系統(tǒng)拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象的過壓保護電路設(shè)計

唐含涵 譚廷慶 周亞棱

（中國汽車工程研究院股份有限公司電動汽車工程技術(shù)研發(fā)中心）

針對體現(xiàn)車載24V系統(tǒng)拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象的測試波形，從能量吸收角度，根據(jù)測試波形的不同參數(shù)配置設(shè)計了電子設(shè)備電源輸入端口過壓保護電路中的關(guān)鍵器件，以確保電子設(shè)備的可靠運行。試驗結(jié)果表明，該方法能有效指導(dǎo)過壓保護電路的設(shè)計。

1 拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象分析

由于汽車電氣系統(tǒng)中的拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象電壓較高，常常造成車載電子設(shè)備損壞。拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象是指交流發(fā)電機在產(chǎn)生充電電流時斷開蓄電池與發(fā)電機之間的連接，如圖1所示，此時交流發(fā)電機只與電子設(shè)備連接，電子設(shè)備將承受突然的脈沖電壓，脈沖電壓幅度取決于斷開蓄電池時發(fā)電機的轉(zhuǎn)速及其磁場強度、發(fā)電機內(nèi)部或電氣系統(tǒng)中是否有獨立的限幅二極管，脈沖電壓寬度則取決于發(fā)電機勵磁電路的時間常數(shù)、脈沖幅度及電氣系統(tǒng)中的各個參數(shù)等因素。發(fā)生拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象的原因可能是線路接觸不良、意外斷裂或人員操作不當(dāng)?shù)萚1，2]。

對于拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象，已有國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)提出了專門的測試波形，例如ISO16750-2中波形4.6.4.2.1用于無集中限幅二極管的系統(tǒng)，波形4.6.4.2.2用于有集中限幅二極管的系統(tǒng)。測試波形中多個參數(shù)可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)進行調(diào)整。

目前已有文獻提出了電子設(shè)備滿足國際、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象測試波形的方法，如文獻[3]詳細介紹了針對車載12V系統(tǒng)的測試要求選擇其產(chǎn)品線中合適型號的瞬態(tài)電壓抑制（TVS，Transient Voltage Suppressor）二極管的方法，文獻[2]利用仿真方法對已經(jīng)選取的應(yīng)用于12V系統(tǒng)的TVS二極管進行了驗證，文獻[4]中對某半導(dǎo)體生產(chǎn)商適用于12V系統(tǒng)的各個型號TVS二極管抑制能力進行了總結(jié)。

如前所述，現(xiàn)有文獻對車載24V系統(tǒng)中拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象討論較少，且對于電子設(shè)備電源輸入端口過壓保護電路中的其他器件，如防反向二極管并未介紹，而實際上拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象對于防反向二極管的電流導(dǎo)通能力也有一定要求。本文以常用的電子設(shè)備電源輸入端口過壓保護電路結(jié)構(gòu)為例，基于24V系統(tǒng)的拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象測試波形，從能量吸收角度，討論保護電路中的關(guān)鍵器件——防反向二極管和TVS二極管的選擇問題。

2 電源保護電路關(guān)鍵參數(shù)計算

2.1 TVS二極管

本文采用的電子設(shè)備電源輸入端口過壓保護電路基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中，D1為防反向二極管，D2為TVS二極管。

將標(biāo)準(zhǔn)ISO16750-2中波形4.6.4.2.1施加到電路的Input輸入端時，A點電位即器件D2陰極電位uTVS和其流過的電流id2隨測試波形變化情況如圖3所示。其中，tclamp為TVS二極管處于鉗位狀態(tài)的持續(xù)時間，Uclamp為測試過程中TVS二極管的鉗位電壓值，US為測試波形的電壓峰值，UA為測試波形的電壓初始值，td為測試波形電壓從0.1（US-UA）上升到0.9（US-UA）再降到0.1（US-UA）的時間，tr為測試波形電壓從0.1（US-UA）上升到0.9（US-UA）的時間。

根據(jù)文獻[5]的附錄E，測試波形從0.9（US-UA）降為0.1（US-UA）的變化趨勢可表示為:

對于某些電子設(shè)備而言，過壓保護電路后的負載電流遠小于拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象過程中流過TVS二極管的電流，公式（3）可簡化為:

設(shè)圖2中防反向二極管D1的導(dǎo)通壓降為UD1，D2的擊穿電壓值為Ubr，可將D2處于鉗位狀態(tài)的條件近似表示為:

取波形發(fā)生設(shè)備的內(nèi)阻為Ri，測試中的線阻為Rw，id2可表示為:

則在整個測試過程中需要TVS二極管吸收的能量為:

TVS二極管數(shù)據(jù)手冊中的鉗位電壓值通常是指TVS二極管在某個標(biāo)準(zhǔn)測試波形中兩端電位差的峰值，常用的標(biāo)準(zhǔn)測試波形有10/1 000 μs測試波形等。根據(jù)文獻[6]，在10/1 000 μs測試波形中TVS二極管吸收的能量可近似計算為:

式中，Ip為測試中流過TVS二極管的峰值電流；t1為測試波形上升時間，在10/1 000 μs測試波形中為10 μs；t2為測試波形下降時間，在10/1 000 μs測試波形中為1000 μs；K1為測試波形上升期的能量計算系數(shù)；K2為測試波形下降期的能量計算系數(shù)。

為確保電子設(shè)備能夠通過ISO16750-2中針對24 V系統(tǒng)拋負載現(xiàn)象的測試波形，需要選擇能夠吸收測試過程中的能量并且不會被損壞的TVS二極管，即滿足以下的要求:

2.2 防反向二極管

車載電子設(shè)備通常都會在電源輸入電路中加入防反向二極管，以避免蓄電池的正負極接反后損壞電子設(shè)備。在針對拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象的測試過程中對于防反向二極管需要考慮的參數(shù)是其允許的正向?qū)娏鳌y試過程中流過防反向二極管的電流是瞬態(tài)大電流，該瞬態(tài)電流在很短時間內(nèi)通過二極管并產(chǎn)生較大熱量，所選防反向二極管必須能夠承受這樣的瞬態(tài)熱量而不被損壞。

如圖2所示，流過防反向二極管的電流為TVS二極管電流與負載電流的總和，即:

則流過防反向二極管電流的有效值為:

如前所述，由于某些電子設(shè)備其負載電流遠小于拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象過程中流過TVS二極管的電流，可近似認為防反向二極管電流與TVS二極管電流相等，即:則流過防反向二極管電流的有效值為:

根據(jù)文獻[7]，以上升一定溫度為原則，所選防反向二極管允許的正向浪涌導(dǎo)通電流IFSM應(yīng)滿足以下要求，即:

式中，TFSM是指器件手冊中正向浪涌導(dǎo)通電流的測試時間。

3 器件選擇及適用性

TVS二極管的擊穿電壓值和鉗位電壓值需要根據(jù)電源輸入端口過壓保護電路后被保護電路的正常工作電壓值和最大工作電壓值來選擇。在車載24 V系統(tǒng)中通常要求電子設(shè)備在16～32 V的供電電源電壓區(qū)間都能夠正常工作，即TVS二極管的擊穿電壓值不應(yīng)小于32 V，而鉗位電壓值則需要小于被保護電路允許的最大工作電壓值。根據(jù)上述要求，本文所設(shè)計的車載控制器選擇了VISHAY公司型號為SM8S33A的TVS二極管，其最小擊穿電壓值為36.7V，標(biāo)準(zhǔn)10/1 000 μs測試波形中的最大鉗位電壓值為53.3 V。該器件的數(shù)據(jù)手冊中特別標(biāo)注了其在10/10 000 μs測試波形中能夠承受的最大功率為5 200 W，即:

將公式（13）代入公式（6），根據(jù)文獻[6]，取系數(shù)K1為0.5，K2為1.4，可知該TVS二極管在10/10 000 μs測試波形中能夠承受的最大能量為72.83 J。

標(biāo)準(zhǔn)ISO16750-2中有兩種針對24 V系統(tǒng)拋負載現(xiàn)象的測試波形，本文以圖3所示波形為例，該測試波形中有多個參數(shù)可由測試人員根據(jù)實際情況自行確定，其中關(guān)鍵參數(shù)為測試波形的電壓峰值Us、測試波形的持續(xù)時間td和測試設(shè)備內(nèi)阻Ri。

本文所述控制器的電源輸入端口過壓保護電路后的負載電流遠小于拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象過程中流過TVS二極管的電流，因此將SM8S33A的鉗位電壓值代入公式（4），最小擊穿電壓值代入公式（2），并設(shè)定防反向二極管的導(dǎo)通電壓為1.5V，測試中連線阻值為0.5Ω，則可計算出各個測試參數(shù)配置中該TVS二極管需要吸收的能量。圖4為測試波形持續(xù)時間為100 ms、200 ms和300 ms時，不同內(nèi)阻及電壓峰值下SM8S33A在測試中需要吸收的能量。從圖4中可知，持續(xù)時間固定后，對于同一個內(nèi)阻參數(shù)，其吸收的能量隨著測試波形電壓峰值的增大而增大；對于同一個電壓峰值參數(shù)，其吸收的能量隨著內(nèi)阻參數(shù)的減小而增大。持續(xù)時間為100ms時，SM8S33A能滿足各種測試參數(shù)的要求；持續(xù)時間為200ms時，SM8S33A對于電壓峰值參數(shù)為150V和160V，能滿足各種內(nèi)阻參數(shù)的測試要求；持續(xù)時間為300ms時，SM8S33A對于電壓峰值參數(shù)為150V，能滿足各種內(nèi)阻參數(shù)的測試要求。

確定TVS二極管后根據(jù)其參數(shù)，通過公式（10）、公式（11）計算流過防反向二極管的電流有效值，并據(jù)此通過公式（12）來選取合適的防反向二極管。圖5表示選定TVS二極管SM8S33A后測試波形持續(xù)時間分別為100 ms、200 ms和300 ms時，不同內(nèi)阻及電壓峰值情況下與SM8S33A配合使用的防反向二極管需要承受的最小正向浪涌導(dǎo)通電流。從圖5中可看到，測試波形持續(xù)時間固定后，對于同一個內(nèi)阻參數(shù)，正向浪涌導(dǎo)通電流隨著測試波形電壓峰值的增大而增大；對于同一個電壓峰值參數(shù)，正向浪涌導(dǎo)通電流隨著內(nèi)阻參數(shù)的減小而增大。

4 試驗波形

本文采用ISO16750-2中4.6.4.2.1為測試波形，以所設(shè)計的車載控制器為測試對象。第1組測試參數(shù)為Us=200 V，td=100 ms，Ri=1 Ω。經(jīng)計算，TVS二極管需要吸收的能量為64.8 J。選擇的防反向二極管是ST公司型號為STTH5R06-Y的二極管，其D2PAK封裝的正向浪涌導(dǎo)通電流為70 A，正向?qū)▔航禐?.5 V，經(jīng)計算滿足公式（12）的要求。試驗波形如圖6所示，其中通道1為電流波形，使用的電流鉗規(guī)格為10 mV/A；通道2為SM8S33A的鉗位電壓波形。可知試驗過程中，SM8S33A對輸入的拋負載高壓波形進行了有效鉗位，能對后續(xù)電路提供較好的保護。試驗完成后檢測所選的TVS二極管及防反向二極管均未損壞，滿足試驗要求。

本文采用的第2組測試參數(shù)為Us=200V，td= 350 ms，Ri=1 Ω。用SM8S33A的相關(guān)參數(shù)及上述各種假定條件進行計算，TVS二極管需要吸收的能量為244.5J，采用的防反向二極管也為STTH5R06-Y。試驗波形如圖7所示（其它同圖6）。從圖7中可看到，由于需要吸收的能量已經(jīng)超過SM8S33A能夠承受的能量，該器件已被損壞，無法有效鉗位。試驗后檢測發(fā)現(xiàn)防反向二極管也被損壞，出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

試驗結(jié)果表明，該方法能有效指導(dǎo)過壓保護電路的設(shè)計。

1蔡登勝.ISO7637道路車輛-傳導(dǎo)與偶合的電氣騷擾標(biāo)準(zhǔn)介紹及對策.裝備制造技術(shù)，2007，9:100～103.

2馮奇.汽車音響直流電源濾波器的設(shè)計.電子工程專輯，[2008-2-1].http://www.eet-china.com/articleLogin.do?artId= 8800554698&fromWhere=/ART_8800554698_480601_TA_ dabec97f.HTM&catId=480601&newsType=TA&pageNo= null&encode=dabec97f.

3ST.Protection of automotive electronics from electrical hazards，guidelines for design and component selection.電子工程專輯，[2010-4-29].http://www.eetasia.com/ART_880060 5398_499501_AN_837055bf.HTM.

4VISHAY.Transient Voltage Suppressors(TVS)for Automotive Electronic Protection[.http://www.vishay.com/docs/ 88490/tvs.pdf.

5International Organization for Standardization.Road vehicles–Electrical disturbances from conduction and coupling，Part 2 Electrical transient conduction along supply lines only.2nd ed.2004-6-15.

6SEMTECH.CalculatingTransientEnergy.http://www. semtech.com/images/datasheet/calculating_transient_energy. pdf.

7橋詰伸一.功率二極管的基本特性和選定.http://www.niec. co.jp/english/products/pdf/CQdiodeCh.pdf.

8International Organization for Standardization.Road vehicles–Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment，Part 2 Electrical loads.3rd ed. 2010-3-15.

（責(zé)任編輯簾青）

修改稿收到日期為2014年10月1日。

Overvoltage Protection Circuit Design for Load-dump Transient Phenomena of Automotive 24V System

Tang Hanhan，Tan Tingqing，Zhou Yaling
（EV Engineering Research Center，China Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd）

To reflect the test waveform of load-dump transient phenomena of automotive 24V system，we design the key components of the overvoltage protection circuit in an electronics power input port according to different parameter configuration of the test waveform and the principle of energy absorption.The test results show that this method can effectively guide the design of the overvoltage protection circuit.

Automotive 24V vehicle systems，Load-dump transient，Overvoltage protection circuit，TVS diode，Anti-reverse diode

車載24V系統(tǒng)拋負載瞬態(tài)現(xiàn)象過壓保護電路TVS二極管防反向二極管

U463.6

A

1000-3703（2014）12-0040-05