为大功率和混合动力汽车优化的Vishay负载突降保护器件
汽车消音器上网时间：2009-01-25   作者：Sweetman Kim 高级应用经理 Vishay通用半导体台湾有限公司
中心议题：
∙汽车负载突降保护的重要性
∙几种负载突降保护电路和器件的比较
∙什么是负载突降、相关基础知识和计算方法的介绍
∙介绍Vishay用于大功率和混合动力汽车负载突降的保护器件
解决方案：
∙Vishay大功率硅TransZorb® TVS可用来防止易受攻击的电路受到电气过应力的影响
∙Vishay的大功率硅TVS的箝位电压<37 V，满足汽车应用稳压器对37 V至40 V最大输入电压范围的要求
∙为满足75V的最大齐纳箝位电压，1-2个串联的Vishay负载突降器件即可把负载突降电压抑制在该电压

汽车生产状况及预测
全球轻型汽车产量——百万辆

42 V系统(包括中型混合动力汽车)——轻型汽车总数百分比
混合动力汽车

汽车负载突降保护的重要性
今天，汽车中并联在供电线路上的许多电子控制器和设备与三、四十年前生产的汽车有了很大的不同。那时汽车中的唯一的电子设备就是汽车收音机。今天，一辆汽车中配备了若干电子设备，其中一些是与安全驾驶有关的，而这些电子设备的故障会引起汽车操作严重的麻烦。

这类并联的电子系统如图1所示，所有连接在供电线路上的电子系统的保护器件不可能平均分担瞬态能量。瞬态能量对连接的那些最低阻抗的保护器件的影响尤为严重。因此，在汽车电子设计中，一个保护器件要能够安全地承受负载突降状态瞬变的全部能量。图2是出现故障的仪表板（cluster panel）负载突降的照片，其故障原因在于，流经这个器件的电流没有与汽车中另一个电子单元中的其他保护器件共同分担。





负载突降保护电路和器件的比较
有几种类型的电路或器件可应用于负载突降保护，而且一些器件的制造商可以使之满足负载突降保护功能的需要。典型的瞬态电压保护可以划分为如图3所示的三种操作类型。




分流型是检测输入电压和接通跨电力线对地的器件。用于分流调节的开关器件或保护电路是晶体管和可控硅。雪崩击穿二极管、齐纳二极管、可控硅型TVS和MOV是这种保护类型的自触发器件。其优势在于简单的结构，而不利则是要求开关器件具有大功率能力。当负载出现故障或电气短路时，通常可以使用自恢复截止开关进行大电流保护。某些电源管理IC集成了这个功能，以便为客户提供简单的设计并节省空间。其优势在于保护器件不需要处理大电流，因此可以减小空间，而缺点是在负载突降状态下开关截止功率期间，需要大存储电容器为负载提供能量。


线性稳压器型在控制供电方面具有良好的特性，缺点是需要大功率晶体管来消除输出电压之间的电压差异和器件本身的高浪涌电压。在抑制模型下，负载突降状态下的自恢复截止和线性稳压器具有高阻抗，而这种高能量会流向连接电子或电力设备的保护最差的器件。这就是通用设计拓扑结构的负载突降保护采用分流型的原因。利用Crow bar和箝位型等操作特性可以将分流型保护电路划分为两组。当器件处于导通状态时，Crow bar操作类似于电气短路，不适用于汽车的保护。



汽车电子系统常见的保护方法是将高电压值箝制到器件或电路的设定电压，而Vishay通用半导体有各种额定功率的用于负载突降保护的产品系列。用于负载突降保护的流行器件是“雪崩击穿二极管”、“齐纳二极管”和“金属氧化物变阻器”。



金属氧化物变阻器类似于陶瓷电容器，其基本结构是合成氧化锌（ZnO）化合物，它具有双向击穿特性，可以无方向保护反向输入。在结构方面，多层和多路（multi pass）结构的MOV在响应高能瞬变方面存在一定的时延。同时，处于连续瞬变下的MOV微粒的疲劳会导致箝位电压和浪涌能力下降（参见脚注）。

齐纳二极管类似于雪崩击穿二极管，由于具有比雪崩击穿二极管更低的浪涌功率能力，其主要应用是调节而不是防止高能量瞬变。Vishay通用半导体的雪崩击穿二极管型负载突降系列，
适用于各种负载突降仿真测试的高能瞬变，以及快速响应和高可靠性的实际应用。

汽车电子，如电子控制单元、传感器和娱乐系统，都是连接在一根电力线上。这些电子产品的功率来源是电池和发电机，两者的输出电压都不稳定，会受到温度、操作状态和其他条件的影响。此外，由于这些系统使用了螺线管负载，如燃料喷射、气门、发动机、电气和水解控制器，ESD、尖峰噪声和各种瞬变及浪涌电压都会进入电源及汽车系统的信号线。