瞬態(tài)抑制二極管在車輛儀表中的應(yīng)用

楊 博， 劉慶飛， 閆 冬， 胡 波

（1.上海四通儀表股份有限公司，江蘇 蘇州 215163；2.中國兵器工業(yè)第214研究所蘇州研發(fā)中心，江蘇 蘇州 215163）

0 引 言

車輛儀表是駕駛員與汽車進行信息交流的重要接口和界面［1－2］，是車輛安全行駛的重要保證。包括顯示車速、里程、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、油量、水溫、指示燈、輪胎氣壓、制動裝置、安全氣囊等功能，儀表能夠可靠地顯示駕駛員需要的信息是非常重要的。車輛儀表的硬件設(shè)計將決定儀表在高壓脈沖干擾、拋負載等情況下工作的可靠性。巧妙地應(yīng)用瞬態(tài)抑制二極管和電阻的組合，能夠很有效地提高儀表的可靠性。

1 車輛內(nèi)部線路干擾介紹

汽車內(nèi)部的線路結(jié)構(gòu)簡圖［3］如圖1所示。

圖1 汽車內(nèi)部的線路結(jié)構(gòu)簡圖

其中，R1，R2，…，Rn為電源線上的電阻，Z1，Z2，…，Zn為地線上的電阻，U1，U2，…，Un為支路的電壓，I1，I2，…，In為支路的電流。

各設(shè)備工作電壓為：

根據(jù)式（1）～式（3），車輛上任意一個電器設(shè)備如閃光器、大前燈等電流變化都會導(dǎo)致其它設(shè)備電壓的變化。并且電器設(shè)備中存在感性設(shè)備和容性設(shè)備，會給整個電路帶來大電流和高電壓的沖擊。當車輛發(fā)電機調(diào)壓器出現(xiàn)問題時，電壓U0會超出電器設(shè)備的額定工作電壓值，導(dǎo)致電器設(shè)備的損壞。車輛儀表是線路中的一個電器設(shè)備，當其它設(shè)備的電流或者電壓發(fā)生變化時，會給車輛儀表帶來干擾。如何解決抗干擾問題成為儀表可靠性設(shè)計的關(guān)鍵。

2 瞬態(tài)抑制二極管特性介紹

瞬態(tài)抑制二極管（Transient Voltage Suppressor，TVS）是一種穩(wěn)壓二極管形式的瞬態(tài)大功率保護器件［4］。當瞬態(tài)抑制二極管的兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時，它將其兩極間的高阻抗瞬間（納秒級）變?yōu)榈妥杩梗崭哌_數(shù)千瓦的功率，使兩極間的電壓箝位在一個預(yù)定值，有效地保護電子線路中的其它元器件免受高壓浪涌脈沖的損壞。

TVS管的電路符號和普通穩(wěn)壓管相同。其電壓－電流特性曲線如圖2所示。

圖2 TVS管電壓－電流特性曲線

TVS管主要參數(shù)如下：

1）擊穿電壓（UBR）。TVS反向電流等于IT時，瞬態(tài)抑制二極管兩端的反向電壓稱為擊穿電壓。

2）測試電流（IT）。測試TVS時的電流稱為測試電流。

3）反向變位電壓（URWM）。TVS的最大額定直流工作電壓，瞬態(tài)抑制二極管高阻狀態(tài)的最大電壓值。此參數(shù)也可被認為是所保護電路的工作電壓額定電壓的最大值。

4）最大反向漏電流（IR）。TVS在工作電壓下測得的流過TVS的反向電流。

5）最大峰值電流（IPP）。TVS允許的最大浪涌電流，它反映了TVS的浪涌脈沖抑制能力。

6）箝位電壓（UC）。當TVS管承受瞬態(tài)高能量脈沖沖擊時，管子中流過電流，峰值為IPP，反向電壓上升到UC值就不再上升，從而實現(xiàn)保護作用。浪涌過后，TVS兩端電壓由UC開始下降，當反向電壓值小于URWM時，恢復(fù)高阻狀態(tài)。

3 瞬態(tài)抑制二極管的應(yīng)用

3.1 瞬態(tài)抑制二極管的常用方法

TVS主要用于對電路元件進行過壓保護。它能“吸收”功率高達數(shù)千瓦的浪涌脈沖信號。TVS因為具有響應(yīng)速度極快、功率大、體積小等優(yōu)點得到廣大電子電路設(shè)計師的青睞，在家用電器、電子儀器設(shè)備、精密設(shè)備、高壓直流電機控制器、總線通訊接口、繼電器噪聲抑制等諸多領(lǐng)域［5］得以應(yīng)用。常用保護方法如圖3所示。

圖3 TVS常用方法

電源干擾情況如圖4所示。

圖4 電源干擾情況

當電源上出現(xiàn)如圖4所示干擾時，增加TVS干擾被抑制電源波形如圖5所示［6］。

圖5 增加TVS干擾被吸收

TVS對電路的保護功能顯而易見。

3.2 瞬態(tài)抑制二極管在車輛儀表中的應(yīng)用

瞬態(tài)抑制二極管在車輛儀表中的應(yīng)用和普通應(yīng)用略有不同，因為車輛上的電源是由發(fā)電機通過調(diào)壓器控制為車上電瓶充電，當調(diào)壓器出現(xiàn)不穩(wěn)定的時候，電壓可能出現(xiàn)持續(xù)的高電壓，當持續(xù)高電壓大于TVS最大箝位電壓時，不但會將TVS燒壞［7］，而且TVS損壞后出現(xiàn)的短路現(xiàn)象很可能燒毀車輛的線束，導(dǎo)致整車出現(xiàn)故障。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生多采用在電源端串聯(lián)一個功率電阻的方法。電路圖如圖6所示。

圖6 車輛儀表中TVS應(yīng)用原理圖

增加功率電阻R1，當電源電壓持續(xù)高于TVS最大箝位電壓時，R1可以起到分壓的作用，并且電源電壓越大，流過TVS管的電流I2就越大，I1＝I2＋I3，所以I1增大，R1的分壓效果也相應(yīng)增大。這樣使車輛儀表對高壓脈沖干擾起到了防護作用，而且當電源持續(xù)高電壓時，也能很好地保護儀表［8］。可以結(jié)合車輛儀表的工作額定電壓和額定電流選擇適合的瞬態(tài)抑制二極管D1和功率電阻R1。

4 結(jié) 語

在車輛儀表的設(shè)計過程中，選擇適合的保護器件可以有效地增加儀表的可靠性和儀表的適應(yīng)能力，深入了解整車電器性能，為設(shè)計高可靠性的車輛儀表起著重要作用。

［1］段景漢.瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管及其應(yīng)用［J］.國外電子元器件，1996（3）：13－15.

［2］周曉東，李亞杰.汽車儀表指針識別方法研究［J］.長春工業(yè)大學學報：自然科學版，2010，31（1）：32－36.

［3］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.QC／T 727－2007汽車、摩托車用儀表［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［4］李梅素.瞬態(tài)電壓抑制二極管在電路中的應(yīng)用［J］.無線電通信技術(shù)，2000，26（5）：8－9，14.

［5］楊莉莎，李勛.瞬態(tài)電壓抑制二極管TVS及其應(yīng)用［J］.通信電源技術(shù)，2000（4）：26－27.

［6］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.QC／T 783－2007，汽車、摩托車用車速傳感器［S］.北京：中國計劃出版社，2008.

［7］P Osmokrovic，M Jurosevic，K Stankovic，et al.Radiation hardness of gas discharge tubes and avalanche diodes used for transient voltage suppression［J］.Radiation Effects and Defects in Solids，2009，164（12）：800－808.

［8］中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.QC／T 784－2007，汽車、摩托車儀表用場致發(fā)光屏［S］.北京：中國計劃出版社，2008.