針對(duì)車(chē)載24V系統(tǒng)拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象的過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

唐含涵 譚廷慶 周亞棱

（中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司電動(dòng)汽車(chē)工程技術(shù)研發(fā)中心）

針對(duì)車(chē)載24V系統(tǒng)拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象的過(guò)壓保護(hù)電路設(shè)計(jì)

唐含涵 譚廷慶 周亞棱

（中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司電動(dòng)汽車(chē)工程技術(shù)研發(fā)中心）

針對(duì)體現(xiàn)車(chē)載24V系統(tǒng)拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象的測(cè)試波形，從能量吸收角度，根據(jù)測(cè)試波形的不同參數(shù)配置設(shè)計(jì)了電子設(shè)備電源輸入端口過(guò)壓保護(hù)電路中的關(guān)鍵器件，以確保電子設(shè)備的可靠運(yùn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效指導(dǎo)過(guò)壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。

1 拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象分析

由于汽車(chē)電氣系統(tǒng)中的拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象電壓較高，常常造成車(chē)載電子設(shè)備損壞。拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象是指交流發(fā)電機(jī)在產(chǎn)生充電電流時(shí)斷開(kāi)蓄電池與發(fā)電機(jī)之間的連接，如圖1所示，此時(shí)交流發(fā)電機(jī)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(kāi)蓄電池時(shí)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及其磁場(chǎng)強(qiáng)度、發(fā)電機(jī)內(nèi)部或電氣系統(tǒng)中是否有獨(dú)立的限幅二極管，脈沖電壓寬度則取決于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電路的時(shí)間常數(shù)、脈沖幅度及電氣系統(tǒng)中的各個(gè)參數(shù)等因素。發(fā)生拋負(fù)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(duì)于拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象，已有國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)提出了專(zhuān)門(mén)的測(cè)試波形，例如ISO16750-2中波形4.6.4.2.1用于無(wú)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(cè)試波形中多個(gè)參數(shù)可以根據(jù)需要在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整。

目前已有文獻(xiàn)提出了電子設(shè)備滿足國(guó)際、國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)中拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象測(cè)試波形的方法，如文獻(xiàn)[3]詳細(xì)介紹了針對(duì)車(chē)載12V系統(tǒng)的測(cè)試要求選擇其產(chǎn)品線中合適型號(hào)的瞬態(tài)電壓抑制（TVS，Transient Voltage Suppressor）二極管的方法，文獻(xiàn)[2]利用仿真方法對(duì)已經(jīng)選取的應(yīng)用于12V系統(tǒng)的TVS二極管進(jìn)行了驗(yàn)證，文獻(xiàn)[4]中對(duì)某半導(dǎo)體生產(chǎn)商適用于12V系統(tǒng)的各個(gè)型號(hào)TVS二極管抑制能力進(jìn)行了總結(jié)。

如前所述，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)車(chē)載24V系統(tǒng)中拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象討論較少，且對(duì)于電子設(shè)備電源輸入端口過(guò)壓保護(hù)電路中的其他器件，如防反向二極管并未介紹，而實(shí)際上拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象對(duì)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(guò)壓保護(hù)電路結(jié)構(gòu)為例，基于24V系統(tǒng)的拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象測(cè)試波形，從能量吸收角度，討論保護(hù)電路中的關(guān)鍵器件——防反向二極管和TVS二極管的選擇問(wèn)題。

2 電源保護(hù)電路關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

2.1 TVS二極管

本文采用的電子設(shè)備電源輸入端口過(guò)壓保護(hù)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T(mén)VS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(shí)，A點(diǎn)電位即器件D2陰極電位uTVS和其流過(guò)的電流id2隨測(cè)試波形變化情況如圖3所示。其中，tclamp為T(mén)VS二極管處于鉗位狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間，Uclamp為測(cè)試過(guò)程中TVS二極管的鉗位電壓值，US為測(cè)試波形的電壓峰值，UA為測(cè)試波形的電壓初始值，td為測(cè)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(shí)間，tr為測(cè)試波形電壓從0.1（US-UA）上升到0.9（US-UA）的時(shí)間。

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

對(duì)于某些電子設(shè)備而言，過(guò)壓保護(hù)電路后的負(fù)載電流遠(yuǎn)小于拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象過(guò)程中流過(guò)TVS二極管的電流，公式（3）可簡(jiǎn)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(cè)試中的線阻為Rw，id2可表示為:

則在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中需要TVS二極管吸收的能量為:

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

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

為確保電子設(shè)備能夠通過(guò)ISO16750-2中針對(duì)24 V系統(tǒng)拋負(fù)載現(xiàn)象的測(cè)試波形，需要選擇能夠吸收測(cè)試過(guò)程中的能量并且不會(huì)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(chē)載電子設(shè)備通常都會(huì)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(fù)極接反后損壞電子設(shè)備。在針對(duì)拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象的測(cè)試過(guò)程中對(duì)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(cè)試過(guò)程中流過(guò)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(shí)間內(nèi)通過(guò)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(guò)防反向二極管的電流為T(mén)VS二極管電流與負(fù)載電流的總和，即:

則流過(guò)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(fù)載電流遠(yuǎn)小于拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象過(guò)程中流過(guò)TVS二極管的電流，可近似認(rèn)為防反向二極管電流與TVS二極管電流相等，即:則流過(guò)防反向二極管電流的有效值為:

根據(jù)文獻(xiàn)[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(cè)中正向浪涌導(dǎo)通電流的測(cè)試時(shí)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(guò)壓保護(hù)電路后被保護(hù)電路的正常工作電壓值和最大工作電壓值來(lái)選擇。在車(chē)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(hù)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(jì)的車(chē)載控制器選擇了VISHAY公司型號(hào)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(cè)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(cè)中特別標(biāo)注了其在10/10 000 μs測(cè)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(xiàn)[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(cè)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(duì)24 V系統(tǒng)拋負(fù)載現(xiàn)象的測(cè)試波形，本文以圖3所示波形為例，該測(cè)試波形中有多個(gè)參數(shù)可由測(cè)試人員根據(jù)實(shí)際情況自行確定，其中關(guān)鍵參數(shù)為測(cè)試波形的電壓峰值Us、測(cè)試波形的持續(xù)時(shí)間td和測(cè)試設(shè)備內(nèi)阻Ri。

本文所述控制器的電源輸入端口過(guò)壓保護(hù)電路后的負(fù)載電流遠(yuǎn)小于拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象過(guò)程中流過(guò)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(cè)試中連線阻值為0.5Ω，則可計(jì)算出各個(gè)測(cè)試參數(shù)配置中該TVS二極管需要吸收的能量。圖4為測(cè)試波形持續(xù)時(shí)間為100 ms、200 ms和300 ms時(shí)，不同內(nèi)阻及電壓峰值下SM8S33A在測(cè)試中需要吸收的能量。從圖4中可知，持續(xù)時(shí)間固定后，對(duì)于同一個(gè)內(nèi)阻參數(shù)，其吸收的能量隨著測(cè)試波形電壓峰值的增大而增大；對(duì)于同一個(gè)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(shí)間為100ms時(shí)，SM8S33A能滿足各種測(cè)試參數(shù)的要求；持續(xù)時(shí)間為200ms時(shí)，SM8S33A對(duì)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(cè)試要求；持續(xù)時(shí)間為300ms時(shí)，SM8S33A對(duì)于電壓峰值參數(shù)為150V，能滿足各種內(nèi)阻參數(shù)的測(cè)試要求。

確定TVS二極管后根據(jù)其參數(shù)，通過(guò)公式（10）、公式（11）計(jì)算流過(guò)防反向二極管的電流有效值，并據(jù)此通過(guò)公式（12）來(lái)選取合適的防反向二極管。圖5表示選定TVS二極管SM8S33A后測(cè)試波形持續(xù)時(shí)間分別為100 ms、200 ms和300 ms時(shí)，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(cè)試波形持續(xù)時(shí)間固定后，對(duì)于同一個(gè)內(nèi)阻參數(shù)，正向浪涌導(dǎo)通電流隨著測(cè)試波形電壓峰值的增大而增大；對(duì)于同一個(gè)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(yàn)波形

本文采用ISO16750-2中4.6.4.2.1為測(cè)試波形，以所設(shè)計(jì)的車(chē)載控制器為測(cè)試對(duì)象。第1組測(cè)試參數(shù)為Us=200 V，td=100 ms，Ri=1 Ω。經(jīng)計(jì)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(hào)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(jì)算滿足公式（12）的要求。試驗(yàn)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(yàn)過(guò)程中，SM8S33A對(duì)輸入的拋負(fù)載高壓波形進(jìn)行了有效鉗位，能對(duì)后續(xù)電路提供較好的保護(hù)。試驗(yàn)完成后檢測(cè)所選的TVS二極管及防反向二極管均未損壞，滿足試驗(yàn)要求。

本文采用的第2組測(cè)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(jìn)行計(jì)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(yàn)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(guò)SM8S33A能夠承受的能量，該器件已被損壞，無(wú)法有效鉗位。試驗(yàn)后檢測(cè)發(fā)現(xiàn)防反向二極管也被損壞，出現(xiàn)短路現(xiàn)象。

試驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效指導(dǎo)過(guò)壓保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。

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

2馮奇.汽車(chē)音響直流電源濾波器的設(shè)計(jì).電子工程專(zhuān)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(zhuān)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(chē)載24V系統(tǒng)拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象過(guò)壓保護(hù)電路TVS二極管防反向二極管

U463.6

A

1000-3703（2014）12-0040-05