力特汽车级瞬态电压抑制器的汽车电路保护

应用说明:
力特汽车级瞬态电压抑制器
的汽车电路保护
挑战
现代汽车设计中,所有车载电子设备连接到电池和交流发电
机上。如图2所示,交流发电机的输出不稳定,用于为车辆其
汽车电子的设计者在系统设计过程期间,将面临众多的技术
它系统提供电力前,要求进一步调试。今天,大部份交流发
挑战,包括设计各种克服电气危害的电路保护方法。这些系
电机具有稳压二极管,从而防止负载波动引起的浪涌电压;
统中电气危害的三大主要来源是静电放电(ESD)、雷电以
但是,这些远远不够。启动或切换感性负载期间,因为断开
及电力电子电路中的开关性负载。克服破坏车辆电子设备的
电池,从而产生不必要的尖峰电压或瞬变,如不纠正,这些瞬
瞬态浪涌是设计过程中最大的挑战。
变会沿着电力线传输,导致个人电子设备和传感器出现故障
或永久性破坏车辆电子系统,从而影响整体可靠性。
解决方案
汽车电子电路保护包括消除瞬态浪涌,因其将损害控制单
元、娱乐系统电子设备、传感器、喷油嘴、阀门、电机、
汽车瞬态浪涌(非ESD)标准
12/24/42/48V传动系统和水解控制器等等。
力特是瞬态电压抑制二极管产品的主要供应商。力特TPSMB、
(*注:在48v电源系统,如果Ri值低于0.5ohm, 抛负载TVS是不建议使用的。)
TPSMC、TPSMD、TP6KE和TPSMA6L系列瞬态电压抑制二极管
可为敏感电子设备提供二次瞬态电压保护,因负载变化引起
力特瞬态电压抑制器(TVS)保护什么?
的瞬变和其它瞬变电压事件。汽车级TVS系列以小封装提供
如图1所示,力特瞬态电压抑制器为车辆系统的四大主要
优越的电气性能,允许设计者升级他们的电路保护,而勿须
类型提供保护:安全性系统、高性能系统和低辐射、舒适
更改其现有设计包装,或在新电路布局中,提供更有力的保
系统和便捷系统,以及混合动力汽车系统。
护方案。
舒适和便利
氙气灯
座位控制/内存
行驶控制
剧院照明
气候控制
导航系统
娱乐系统/视频
性能和排放
发动机管理
适应性强的悬架
先进的动力系统
混合动力汽车
安全性
气电
燃料电池
柴油发电机
锂离子聚合物
超级电容器
安全气囊
电池断开
防倾翻控制
稳定性控制
安全带提前系紧
轮胎压力监测
图1 车辆系统受到瞬态浪涌危害
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交流发电机/调压器组装
(实际电路全波整流)
刮水器
安全气囊
防抱死制动
+
蓄电池
汽车废气排放
调压器
车窗电机
图2.车辆电气系统中大部分的瞬变由交流发电机造成
12V/24V系统中,负载变化引发的电压波动要求高能瞬
–脉冲3
切换峰值
3a 负极瞬变骤增
3b 正极瞬变骤增
指切换事件中不必要的瞬变
–脉冲4
起动器曲柄– 指电机启动期间,电池电压下
降。这种现象经常发生在寒冷的天气里。
–脉冲5
负载变化(负载突边)– 指通过交流发
电机充电时,断开电池。
–脉冲6
点火线圈中断
–脉冲7
交流发电机磁场衰减
–脉冲 1,
有关高压瞬变进入电源;脉冲4定义了最
小的电池电压。参考图3a和表1。
态电压抑制二极管。关于更多变化保护的信息,请浏览
Littelfuse.com。
汽车市场有两大主要标准,概述了瞬态浪涌的防护:日
本、美国和国际市场的JASO和ISO7637-2(浪涌)测试。
JASO A-1阐述了14V车辆系统的测试条件;JASO D-1
阐述了27V车辆的测试条件。
以下测试标准是国际和美国的测试标准,包括负载变
化、开关瞬变和静电放电威胁。
2,3a,3b,
5,6,7,
国际标准ISO 7637:
.
・适用于公路车辆— 通过传导和耦合进行电气干扰。
120V 负载变化
85V 噪声
美国国家标准:
・SAE(汽车工程师学会)J1113
24V 应急电源
・GM 9105、ES-F2af-1316-AA 福特 (伟世通)
14V
6V 曲柄
关于ISO7637-2 脉冲的更多信息:
电池反向
・汽车电磁兼容瞬变要求
–脉冲 1
–脉冲2
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感性负载的中断– 指测试设备(DUT)
与电感负载并联时,断开电感负载的电源
供应。
图3a:不同脉冲的浪涌波形及其大小
系列电感负载的中断– 指电流中断,并
造成负载切换。
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汽车环境测试级别
・脉冲1是由于蓄电池电源从感性负载断开引起的瞬变。
・脉冲2a是模拟一个与DUT并联的设备,突然断电而由线
表 1:各脉冲 ISO7637-2 的测试级别
束电感引起的瞬变。
测试等级(12V 系统 )
测试
脉冲
I
最低
II
III
・脉冲2b是模拟直流电机作为发动机在点火开关被关掉后
IV
最高
最低脉冲号码
或测试时间
1
–75V
–100V
5000 pulses
2a
+37V
+112V
5000 脉冲
2b
+10V
+10V
10 脉冲
3a
–112V
–220V
1 小时
3b
+75V
+150V
1 小时
5a
+65V
+87V
1 脉冲
5b
+65V
+87V
1 脉冲
的瞬变。
・脉冲3a和3b是开关机脉冲。
・脉冲5a和5b是抛负载瞬变。5b箝位电压是由不同的汽
车厂商指定的
・原级I和II已被删除,原因是它们不能对公路用车确保足
够的安全
・各脉冲的四种性能级别
–不同 o/c 电压
–负极和正极
–脉冲持续时间 0.1–400ms
–单一脉冲和脉冲串
测试等级 (24V 系统 )
测试
脉冲
I
最低
III
1
–300V
–600V
5000 脉冲
2a
+37V
+112V
5000 脉冲
2b
+20V
+20V
10 脉冲
3a
–150V
–300V
1 小时
3b
+150V
+300V
1 小时
5a
+123V
+173V
1 脉冲
5b
+123V
173V
1 脉冲
II
–瞬变电压抑制及其工作模式
最低脉冲号码
或测试时间
IV
最高
表1:ISO7637-2 在每个脉冲的测试等级
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Littelfuse 汽车级TVS二极管在ISO7637-2 浪涌测试中的结果
表1a概括了使用Littelfuse汽车级TVS二极管系列在12V和24V电源系统下相应ISO7637-2浪涌测试各个级别符合的情况。TPSMA6L,
、
TPSMB, TP6KE, TPSMC和TPSMD系列额定功率分别是600W, 600W, 600W, 1500W和3000W。这些器件帮助电源系统通过
ISO7637-2指定的不同浪涌测试(1, 2a, 2b, 3a, 3b, 5a 和5b)。在12v系统,仅在交流发电机Ri值高于4.5Ω,TPSMD系列
TVS能用于通过高于5a浪涌能量。如果Ri值低于4.5Ω,那么象SLD系列高功率TVS能应用于设计。关于24V汽车电源系统浪涌
的规范,参考以下24V系统结果。
12V System
Level 3
Level 4
1
2a
2b
3a
3b
1
2a
2b
3a
3b
5a
5b(Us*35V)
–75V
+37V
+10V
–112V
+75V
–100V
+112V
+10V
–220V
+150V
+87V
+87V
TPSMA6L
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
TPSMB
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
TPSMC
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
TPSMD
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
TP6KE
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
TVS Series
≥ 0.5ohm
24V System
Level 3
Level 4
1
2a
2b
3a
3b
1
2a
2b
3a
3b
5a
5b(Us*35V)
–300V
+37V
+20V
–150V
+150V
–600V
+112V
+20V
–300V
+300V
+173V
+173V
TPSMA6L
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
TPSMB
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
TPSMC
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
TPSMD
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
TP6KE
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
Pass
TVS Series
表1a: Littelfuse 汽车TVS二极管系列在12V/24V动力系统中符合各种浪涌标准
调压器
交流发电机
如图3b所示,瞬态电压抑制二极管TPSMA6L15A被置放于电子
被保护的
系统
控制单元、传感器、安全气囊、控制器、电机等等之前的保
电子控制单元、
护。交流发电机向电子设备供电时,瞬态电压抑制二极管将
娱乐系统等等
防止不必要的瞬变,从而允许直流操作12-14V电压的电气系
统。
图 3b:瞬态电压抑制二极管被用于各种汽车系统用作分流/瞬态浪涌保护器
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汽车总线线保护
LIN同样可被用在车辆电源线,配备特殊DC-LIN收发器,这在
目前最流行的通信总线标准是CAN和LIN母线。
目前汽车世界中很常见。
CAN总线(控制区域网络)是一种汽车总线标准,旨在允许
表 3: LIN 母线应用程序
微控制器和设备在车辆内相互通信,而勿须主机。
应用程序
部分
具体的LIN应用实例
CAN 总线是一种以信息为导向的协议,专门为汽车应用程
车顶
传感器、光传感器、光控制、天窗
序设计,但目前同样在其它区域使用,如航空航天、工业自
方向盘
巡航控制、刮雨器、转向灯、气候控制、
收音机
座位
座位位置电机、主传感器、控制面板
流行的高速CAN总线协议属于ISO11898-2,在严酷环境下,
引擎
传感器、小型电机
该区别协议适用于高速(1.0Mbps)和中速(125Kbps)的应
气候
小型电机、控制面板
车门
后视镜、中央电子控制单元、后视镜开关、
窗口手柄、座椅控制开关、门锁
动化和医疗设备。
用程序。
ISO11898-2母线由CAN_H 和 CAN_L数据线以及共同接地信
号组成。其有12V和24V系统,配备不同的总线电压。
CAN和LIN母线应用程序之间的差异
控制区域网络(CAN)系统处理自动力方向盘到临界驱动列
表 2:高速 CAN 规范
参数
高速 CAN
物理层规范
ISO 11898-2
特性
高速区别母线、良好的抗扰度
主流应用程序
汽车和工业管制
传输速度
1.0 Mbits/s @ 40 米
125 kbits/s @ 500 米
电缆
缠绕或平行双导线、
屏蔽或不屏蔽电缆
终端电阻
120 W电阻,位于母线两端
最小/最大线电压
12 V 系统: –3.0/+16 V
24 V 系统: –3.0/+32 V
最小/最大通用模式线电压
CAN_L: –2.0 (最小)/+2.5 V (公称)
CAN_H: 2.5 (公称)/+7.0 V (最大)
车引擎计算机和传输间通信的所有事务。
本地网络连接(LIN)系统处理简单的机电功能,如移动电动
座椅和切换巡航控制。
汽车世界中,对CAN/LIN 母线的威胁
由于CAN/LIN母线是汽车内各类控制和监控功能的双线式通
信总线,浪涌进入两条电线中的可能性极大,从而造成
CAN/LIN收发器故障。以下是这两个总线的保护方法。
CAN 母线保护示意图
Tx
主机
控制器
Rx
Ref
CAN
收发器
CAN_H
CAN_L
共模
扼流圈
母线
LIN (本地连接网络)总线标准是串行网络协议,用于车辆
图 4:CAN 总线保护
元件之间的通信。随着车辆中技术和设施实现的增长,引发
对廉价串行网络的需求,因为使用CAN母线实现汽车中各元
如图4所示,TPSMB30CA瞬态电压抑制二极管目的是在共模
件的通信太昂贵。欧洲汽车制造商开始使用不同串行通信拓
(配备24V系统)中保护两条CAN母线,免受浪涌事件影响。
扑,导致兼容性问题。
TPSMB24CA是一根600W双向瞬态电压抑制二极管,25.6V反
向平衡电压和41.4V最大嵌位电压。保护CAN母线而勿须削弱
新LIN规范首次完全执行版本(LIN版本1.3)于2002年11月出
CAN信号是非常理解的。12V CAN系统中,使用两根TPSMB15CA
版。2003年9月,引入版本2.0扩张其兼容性,并提供额外的
瞬态电压抑制二极管,而不使用TPSMB24CA。
诊断特点。
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LIN 母线保护示意图
U
LIN 母线
LIN
收发器
td
tr
LIN
节点连接
US
0,9(US -UA)
图5:LIN 总线保护
LIN收发器的信号范围是+24/–15V,数据率是2.4kbps至
0,1(US -UA)
UA
0
20kbps。如图5所见,需要双向非对称瞬态电压抑制二极管配
t
置,从而在不同模式中,保护两根电线。
图1:ISO16750-2中脉冲5a波形
– t 时间
– U 测试电压
– td 脉冲持续时间
– tr 上升斜率
– UA 运行中发电机的电源电压(参见ISO 16750-2)
– US 电源电压
TPSMA6L24A/TPSMA6L15A 瞬态电压抑制二极管连接反串行
模式中,以便出现浪涌事件时,保护两根电线。TPSMA6L瞬
态电压抑制二极管是一个600W器件,安置在小型DO-221AC
包装中。相同功率处理能力的可选解决方案应是增加一个
TPSMB30CA(双向),以保护LIN总线。
U
td
汽车标准
tr
脉冲5的ISO 16750-2和ISO 7637-2标准对比
(负载突降浪涌测试)
0,9US
US
ISO16750-2标准中的力特TVS产品
UA
0
ISO/TC 22由道路车辆技术委员会(ISO/TC 22)电气和电子
0,1US
设备小组委员会(SC 3)编制。2010年,ISO 16750取代ISO
7637的负载突降脉冲5a和5b部分。下面我们将列出这两个标
t
图2:ISO7637-2中脉冲5a波形
– t 时间
– U 测试电压
– td 脉冲持续时间
– tr 上升斜率
– UA 运行中发电机的电源电压(参见ISO 7637-2)
– US 电源电压(不包括UA)
准的不同之处,并在负载突降保护元件的选择上提供指导。
负载突降
在交流发电机电路中,将放完电的电池从电路中断开,而交
流发电机仍然对电路中剩下的其他负载产生充电电流,这时
会发生负载突降瞬变。这个实验即是对这种负载突降瞬变进
基于以上两种波形定义,我们可以看出两个标准在tr上升斜
行模拟。
率的定义上有所不同。ISO 16750将上升斜率定义为10%(
US-UA)到90%(US-UA),而ISO 7637-2将其定义为
10%US到90%US。
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U
td
U
tr
td
tr
US
0,9(US -UA )
0,9US
US
US*
0,1(US -UA )
UA
0
US*
UA
0
t
图3:ISO16750-2中脉冲5b波形
– t 时间
– U 测试电压
– td 脉冲持续时间
– tr 上升斜率
– UA 运行中发电机的电源电压(参见ISO 16750-2)
– US 电源电压
– US* 负载突降抑制后的电源电压
0,1US
t
图4:ISO7637-2中脉冲5b波形
– t 时间
– U 测试电压
– td 脉冲持续时间
– tr 上升斜率
– UA 运行中发电机的电源电压(参见ISO 16750-2)
– US 电源电压(不包括UA)
– US* 负载突降抑制后的电源电压(不包括UA)
基于以上波形定义,我们可以看出ISO16750-2和ISO7637-2
两个标准在脉冲5b的US和US*的上升斜率上略有区别。
ISO16750-2
UN=12V
Parameter
UN=24V
ISO7637-2
“Min test
requirements”
UN=12V
UN=24V
US(V)
79=<US=<101
151=<US=<202v
65=<US=<87
123=<US=<174v
US*(V)
35
65
define by user
define by user
UA(V)
14
28
Ri(ohm)
0.5=<Ri=<4
1=<Ri=<8
td(ms)
40=<td=<400
100=<td=<350
tr(ms)
10+0/-5
10+0/-5
10 pulses at
intervals of
1 minute
13~14
26~28
0.5=<Ri=<4
1=<Ri=<8
40=<td=<400
100=<td=<350
10+0/-5
10+0/-5
“Min test
requirements”
1 pulse
表1、ISO16750-2和ISO7637-2脉冲参数差异比较
注:
-
Ri 被定义为交流发电机的内阻
Unom: 交流发电机额定电压
Irated: 交流发电机转速在6000转每分钟(ISO8854中给定)时的额定电流
Nact:
交流发电机在交互时间中实际转速
例如,一个传统的家用小型车的14V、60A交流发电机,其在Nact为3000转每分时的Ri为10*14*3000/(0.8*60*12000),大约为0.73ohm。
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主要差异:
ISO16750-2定义了10分钟内每隔1分钟的10次脉冲,而旧的ISO7637-2标准只定义了1次脉冲。因此,对于这种负载突降保护的新要
求,保护器必须具有更高的可靠性。
如下面图5和图6所示,我们分别使用了典型的12V和24V经过AEC-Q101认证的TVS来对脉冲5a实验进行验证并对ISO16750-2和
ISO7637-2进行比较。
下面是12V和24V系统中典型的开路负载突降波形。
图6:24V系统202v 350mS脉冲
图5:12V系统101v 400mS脉冲
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在下面图7和图8中,我们在12V系统中设定不同的脉冲持续
在下面图9和图10中,我们在24V系统中设定不同的脉冲持续时间
时间对ISO16750-2和ISO7637-2进行了比较实验。在
对ISO16750-2和ISO7637-2进行了比较实验。在ISO7637-2中,电
ISO7637-2中,电源电压Us在65V到87V范围内,承受不同脉
源电压Us在123V到174V范围内,承受不同脉冲(40mS、200mS
冲(40mS、200mS和400mS)所需的电阻Ri至少要超过
和400mS)所需的电阻Ri至少要超过4.3ohm。图9和图10的上半
1.14ohm。图7和图8的上半部分区域为SLD15U-017器件的安
部分区域为SLD33U-018器件的安全运行区域。因此,我们必须
全运行区域。因此,我们必须确保电路上所产生的电阻(交
确保电路上所产生的电阻(交流发电机源阻抗)超过4.3ohm以
流发电机源阻抗)超过1.14ohm以为ISO7637-2中定义的脉冲
为ISO7637-2中定义的脉冲提供足够的保护。然而,如图10所
提供足够的保护。然而,如图8所示,在使用ISO16750-2实
示,在使用ISO16750-2实验要求的情况下,在电路上所需的最
验要求的情况下,在电路上所需的最小电阻为1.5ohm,这超
小电阻为4.5ohm,这比ISO7637-2中规定的值稍大。
过了ISO7637-2中规定的值。
SLD33U-018
注:SLD15U-017是一种单向TVS二极管,额定功率为2200W,反
4.5
4
Ri (ohm)
向关态电压15V,最小击穿电压为16.7V。
SLD15U-017
1.2
3
40mS 1 pulse
2.5
220mS 1 pulse
2
1.1
Ri (ohm)
3.5
400mS 1 pulse
1.5
1
1
0.9
0.8
40mS 1 pulse
0.7
220mS 1 pulse
0.6
400mS 1 pulse
123
70.5
76
81.5
148.5
161.25
174
Us(v)
图9:24V系统中单脉冲(ISO7637-2)Us和Ri关系图
0.5
65
135.75
*注:以上每条曲线均为SOA(安全工作区)
87
Us(v)
SLD33U-018
图7:12V系统中单脉冲(ISO7637-2)Us和Ri关系图
4.5
*注:以上每条曲线均为SOA(安全工作区)
Ri (ohm)
4
Ri (ohm)
SLD15U-017
1.5
1.4
1.3
1.2
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
3.5
3
40mS 10 pulse
2.5
220mS 10 pulse
2
400mS 10 pulse
1.5
1
151
40mS 10 pulse
163.75
176.5
189.25
202
Us(v)
220mS 10 pulse
400mS 10 pulse
图10:24V系统10脉冲(ISO16750-2)Us和Ri关系图
79
84.5
90
95.5
*注:以上每条曲线均为SOA(安全工作区)
101
Us(v)
图8:12V系统10脉冲(ISO16750-2)Us和Ri关系图
以上4图中所有数据均为常温下实验所得出。实际脉冲承受能力
*注:以上每条曲线均为SOA(安全工作区)
可能会因应用环境的不同而不同。TVS的负载突降能量可以在较
高的环境温度下降额至一个较低的水平。这意味着,同样的Us水
平,Ri将会有少许上升。
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瞬态电压抑制术语
10 pulses
40mS
220mS 400mS 40mS
220mS 400mS
SLD15-017
25.2V
24.2V
25.1V
24.8V
23.8V
23.7V
SLD33-018
50V
50.4V
50.1V
50V
50V
49.6V
EOS
+
表2、SLD系列不同脉冲宽度和脉冲次数下的最大Vclamp
瞬变电流
Single pulse
40mS
10 pulses
220mS 400mS 40mS
96A
82A
73A
98A
76A
69A
SLD33-018
50.4A
44A
44A
49.6A
40.8A
38.4A
被保护
负载
–
220mS 400mS
SLD15-017
TVS
反向工作电压
表3、SLD系列不同脉冲宽度和脉冲次数下的最小Ipp
使用单向瞬态电压抑制二极管的情况下,反向工作电压是“
在上表中,我们给出了负载突降保护的例子,也为您选择合适
堵塞方向”中适用的最大峰值电压,没有明显电流。双向瞬
部件提供了参考。现在我们将要验证SLD33-018是否能满足这
变的情况下,可适用两个方向。其具有相同的定义,即最大
一保护要求。
关断状态电压或最大工作电压。
电压:24V 系统:
启动电压
交流发电机电阻 Ri=4Ω
指定DC测试电流中测量的电压,通常是1mA。通常定义指定
负载突降时交流发电机输出的峰值电压=202V
最小或最大值。
目标电压 = 65V
峰值脉冲功率
脉冲宽度=200ms
以瓦或千瓦表示,1ms脉冲宽度。IPP乘以VCL。
脉冲次数=10分钟内10次脉冲
最大嵌位电压(VC或VCI)
从表2可知,SLD33-018在220mS脉冲宽度下的10次脉冲条件中
经受到电大峰值脉冲电流时,整个保护器测量的最大电压。
具有40.8A的钳位能力。从表3可知,SLD33-018在220mS脉冲宽
峰值脉冲电流(IPP)
度下的10次脉冲条件中具有最大50V的钳位电压。
峰值脉冲电流(IPP)确认瞬态电压抑制二极管可抵挡不受损
实际负载突降峰值钳位电流可以通过计算(202V - 50V)/ 4
坏的最大电流。所需IPP仅可通过区分峰值瞬变电压除以电源
Ω=38A,这低于40.8A。因此,SLD33-018可以针对负载突降
阻抗决定。注意瞬态电压抑制二极管的失效是短路;如果因
浪涌进行保护(40.8A > 38A)。
瞬变大于数据表规范,而使瞬态电压抑制二极管出现故障,
电路仍是受保护的。
由于TVS二极管是一种钳位器件,其浪涌电流会受到外部电阻
的影响。我们可以从上文中得知,Ri是交流发电机的内阻,无
论其是否能通过不同的外部施加电压和浪涌持续时间设定值的
浪涌测试,都会对TVS二极管造成影响。在Ri值过低而不能通过
某些浪涌测试的情况下,需要多个TVS并行级联以通过相关的
浪涌测试。
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