用于汽车电子模块的瞬态电压抑制器(TVS)

用于保护电子电路的设备是有意插入系统或印刷电路板上的组件，其任务是保护下游电路免受各种有害或破坏性事件的影响。瞬态保护是电子系统的现实保障，并且变得越来越重要。

数字电路对电压尖峰的敏感性随着工作频率的增加而增加，几纳秒和几百伏的短电压瞬变足以损坏 IC。

瞬态电压抑制器 (TVS)是用于保护脆弱电路免受电气瞬变影响的设备。

TVS 最重要的特性是它必须比任何其他设备更快地响应浪涌。在汽车领域，工程师面临许多挑战。其中之一是保护电子设备免受各种电源的影响，例如静电放电 (ESD) 和电力电子电路中的开关负载。解决可能损坏车辆电子设备的瞬态浪涌问题是该市场面临的最大挑战之一。

瞬态和 TVS

瞬变是可能影响电路运行的临时电压或电流峰值或浪涌。在某些情况下，瞬变是重复的，例如由电机控制中的电感组件引起的瞬变，而其他情况则更为偶发，例如 ESD 事件。

例如，电流瞬变可由浪涌电流引起。在感性负载的电源切换期间，电池会断开连接，从而产生不必要的瞬变，从而导致各个电子元件和传感器发生故障。

由于事件中涉及大量能量，“抛负载”是电源瞬变中最关键的。它发生在交流发电机为电池充电并且与电池的连接失败时。这类似于任何其他电力电子情况，其中电源具有断开的高电流负载。系统需要一定的时间才能根据反馈回路瞬态响应从瞬态加载-卸载条件中恢复，以使系统重新进入闭环电压调节。在此期间，如果未应用 TVS 设备，则会出现过压情况。对于瞬态保护，设计人员的选择是 TVS 。由于这种电池断开，连接到交流发电机的其他负载会在电源线中出现过电压。这个过电压的电压峰值可达120V，过电压衰减的时间最长可达400ms。它通常在 12 V 车辆中停留在 40 V，在 24 V 系统中停留在大约 60 V。峰值的强度取决于许多因素，包括交流发电机的转速和断开前提供给电池的电流。

抛负载TVS是汽车电气模块必不可少的保护装置。其目标主要是通过抑制负载突降模式期间产生的浪涌电压来保护电子系统。各种汽车标准规定了一种标准形式的负载释放脉冲，汽车电子元件可以在其上设计。

瞬态电压抑制器 (TVS) 是该领域中用于保护电路免受电压和电流瞬变影响的器件。在 TVS 中，有害的电压尖峰受到坚固的硅 PN 结的阻塞作用的限制，该作用将瞬变幅度降低到非破坏性水平。一种类型的 TVS 器件是瞬态电压抑制二极管，这是一种用于电路浪涌保护的齐纳二极管。

“它是稳压器应用中通常使用的齐纳二极管，您可以将其设置为特定电压并保持该电压，因此随着电流增加，电压保持不变。嗯，这是一个齐纳二极管，它的特点是基本上可以吸收超过一定数量的任何东西，它可以尽可能地转移 100% 的能量，从进入电路中，将其转化为热量并消散它不会进入电路并造成损坏，”TVS 器件是专门的齐纳二极管，旨在在钳位过压条件时将瞬态电能转化为瞬态热能，台积电 FAE 总监 Kevin Parmenter 说。当发生瞬变时，TVS 会立即钳位以将峰值电压限制在安全水平。

TVS 二极管的目的是在标称阶段没有影响，然后在高压瞬变的情况下立即将电流转移到大地。识别 TVS 的一些参数是反向工作最大电压 (VRWM)、击穿电压 (VBR)、峰值脉冲电流 (IPP)。反向工作最大电压被定义为可以施加到 TVS 二极管上的电压，以确保在整个过程或温度下，二极管不会传导大量电流。相反，击穿电压 (VBR) 是 TVS 二极管开始传导电流的电压。峰值脉冲电流 (IPP) 被定义为在二极管本身过热和失效之前可以分流的最大浪涌电流（图 1）。

图 1：减轻电池断开影响所需的 TVS 设备 [来源：台湾半导体]

一种新的选择

台积电推出 TLD5S/6S/8S 系列符合 AEC-Q101 标准的高功率单向瞬态电压浪涌抑制器 (TVS)。这些器件提供高达 6000W 的脉冲功耗，非常适合关键的抛负载应用，旨在保护车载电子设备免受交流发电机产生的高压浪涌的影响，以防电池断开连接。

“在汽车电气系统中，电池用于帮助调节车辆中的电压，如果您失去与电池的连接或电池耗尽，或者如果有人不正确地启动车辆，交流发电机会在移除高电流负载时降低电压将，一段时间内，您可以有一个非常大的百伏加瞬态。由于交流发电机的完全不规则输出试图补偿进入电气系统的未加载电路，并且会炸毁车辆中的每个模块，因此可以获得大量势能。因此，在我们大型汽车 OEM 的推动下，我们被鼓励以符合行业标准 DO-2018-AB 封装的行业标准抛负载 TVS 设备的外形和功能设备进入这个市场。我们已经在包括汽车 TVS 在内的 TVS 市场上处于领先地位，但这使该系列产品的功率从大约 150 瓦扩展到 6.6 千瓦峰值。由于每个电气系统都略有不同，我们有不同的电压设备。因此，我们有完整的电压范围来涵盖人们使用的所有范围，包括 48 伏、汽车系统、混合动力电动汽车等，Kevin Parmenter 说。

TLD 系列可以添加到台湾半导体提供的广泛的 AEC-Q 部件产品组合中。这些设备完全符合 AEC-Q101 标准，符合 ISO7637-2/ISO16750-2 浪涌规范和 IEC 61000-4-2（级别：4）/ISO 10605（级别：L4）静电放电规范。具有适用隔离电压的系列器件还满足日本的 JASO A-1 (14V) 和 JASO D-1 (27V) 抛负载要求。所有 TLD 系列设备均符合 RoHS 指令 2011/65/EU 和 WEEE 2002/96/EC，根据 IEC 61249-2-21 不含卤素，符合 J-STD-020 的 1 级湿度敏感度. 此外，TSC 可根据客户的规格提供定制测试（图 2）。

图 2：ISO 16750-2 抛负载测试 [来源：台湾半导体]

TVS在PCB中的位置也决定了响应效率。通过将其放置在尽可能靠近电源的位置，电感效应更低，响应速度更快。PCB 上焊盘布局的尺寸必须与用于封装的散热器相匹配，以使器件完美贴合，从而降低 TVS 器件与 PCB 之间的热阻。为了提高散热能力，应有效利用 PCB 面积，因为该器件旨在将瞬态热能转换为瞬态热能。



审核编辑：刘清