VISHAY GENERAL SEMICONDUCTOR 瞬态电压抑制器 应用笔记 用于汽车电子保护的瞬态电压抑制器( TVS ) 作者： Soo Man (Sweetman) Kim, 高级应用经理 Vishay的二极管业务部以声誉卓著的Vishay General Semiconductor品牌，提供领先的汽车电子瞬态电压抑制器产品。 I) TVS的重要参数 重要的TVS参数包括功率等级、关态电压、击穿电压和最 大击穿电压等级。 这个测试条件不同于TVS ESD测试的8 μs/20 μs脉冲波形， 如图2所示。 功率等级 击穿电压、最大击穿电压和关态电压详见数据表，如表1 所示。 TVS的功率等级是在特定的测试或应用条件下的浪涌吸收 能力。Vishay的TVS产品使用业内标准的10 μs/1000 μs 脉冲波形(Bellcore 1089标准)做为测试条件，如图1所示。 10 µs 100 % 8 µs 10 µs/1000 µs 8 µs/20 µs IPPM 100 % IPPM IPPM IPPM 2 2 50 % 50 % 0% 0 0.5 1.0 1.5 图1. TVS的测试波形 Document Number: 89866 Revision: 12-Jan-10 2.0 (ms) 2.5 0 5 10 15 20 (µs) 25 图2. TVS ESD的测试波形 For technical questions within your region, please contact one of the following: [email protected], [email protected], [email protected] www.vishay.com 1 APPLICATION NOTE 0% Application Note Vishay General Semiconductor Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection 表 1 – VISHAY的SM6T 系列的电特性 （除非另外特别声明，均指在25 °C的环境温度等级） 击穿电压 型号 器件标识码 VBR AT IT IT (V) 测试电流 (mA) 关态电压 VRM (V) 漏电流 IRM AT VRM (µA) 钳位电压 VC AT IPP 10 µs/1000 µs CLAMPING 钳位电压 VC AT IPP 8 µs/20 µs TMAX. 0-4/°C Uni Bi Min. Max. (V) (A) (V) (A) SM6T6V8A KE7 KE7 6.45 7.14 10 5.80 1000 10.5 57.0 13.4 298 5.7 SM6T7V5A KK7 AK7 7.13 7.88 10 6.40 500 11.3 53.0 14.5 276 6.1 SM6T10A KT7 AT7 9.50 10.5 1.0 8.55 10.0 14.5 41.0 18.6 215 7.3 SM6T12A KX7 AX7 11.4 12.6 1.0 10.2 5.0 16.7 36.0 21.7 184 7.8 SM6T15A LG7 LG7 14.3 15.8 1.0 12.8 1.0 21.2 28.0 27.2 147 8.4 击穿电压 (VBR ) 关态电压 (VWM): 工作关态反向电压 击穿电压是是器件进入雪崩击穿的电压，根据数据表中指定 的电流进行测试。表1中，SM6T6V8A在10mA的反向电流下的 击穿特性为6.8V，容差为5%, SM6T10A在1mA反向电流下的 击穿特性为10V。 关态电压是指TVS未被击穿时的最大电压，是电路中不在通 常条件下工作的保护器件的重要参数。 最大击穿电压 (VC:钳位电压) 在指定的峰值脉冲电流等级下，出现在TVS上的钳位电压等 级。TVS的击穿电压是在非常低的电流下测得的，如1 mA 或10 mA, 与应用条件中实际的雪崩电压是不同的。因此， 半导体制造商会指明在大电流条件下的典型或最大击穿电 压。表1显示了在10 μs/1000 μs和8 μs/20 μs波形下的最大 钳位电压。 在汽车应用中，一些汽车电子产品的调节是由“阶跃保护” 实现的。这种测试条件是在10分钟内，向12V的电子设备提 供24 V DC 的电压，向24V电压的电子设备提供36 V DC 的 电压，而不造成损坏或电路的故障。因此，对汽车电子产品 来说，关态电压是TVS器件的一个关键参数。 APPLICATION NOTE 正向电流 VC VWM VBR IF 反向电压 IR VF 正向电压 IPP 反向电流 图3. 电压和电流参数 www.vishay.com 2 For technical questions within your region, please contact one of the following: [email protected], [email protected], [email protected] Document Number: 89866 Revision: 12-Jan-10 Application Note Vishay General Semiconductor Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection II) 车载电源的初级侧保护 (抛负载) 汽车电子产品，如电子控制单元，传感器和娱乐系统是接到 一个电源上的。这些电子产品的电源是电池或发电机，由于 受到温度、工况和其他条件的影响，电池或发电机的输出电 压不稳定。 此外，使用燃油喷射、阀、电机、电和水解控制器等电磁负 载的汽车系统会把ESD、尖峰噪声和几种瞬态和浪涌电压引 入到电源和信号线中。 ESD 或闪电 电动机和火花塞的 反瞬态电压 发电机引起的高电压 稳压器 A TCU ECU 气囊 ABS，汽 车音响．．．． 电池 什么是抛负载? 图4. 典型汽车电源总线 当引擎正在运转，发电机正向汽车的电源线输送电流时， 如果电池突然断开，就会产生最严重的浪涌电流。这种情 况也被称为“抛负载”，大多数汽车制造商和行业组织都规 定了在这种抛负载情况下的最大电压、线路阻抗和持续时 间，如图5所示。两个知名的试验模拟了这种条件：美国的 ISO-7637-2 Pulse 5, 和日本针对14V传动系的的JASO A-1 及针对27V传动系的JASO D-1。在本小节，我们假定TVS 用在14V动力系中的抛负载情况下。 如图6所示，Vishay的高功率、硅T RANS Z ORB ® TVS被用来 保护容易受损的电路，免受电过应力，确保高可靠性。对于 初级保护，TVS应当吸收抛负载情况下的高能量。 瞬态电压 被钳位的 瞬态 + 瞬态 电流 TVS 受保护的 负载 X A 负载 图6. 典型保护电路 发电机的输出电压 VN 电池 连接 电池 断开 图5. 在抛负载情况下，发电机的输出电压 Document Number: 89866 Revision: 12-Jan-10 DO-218AB For technical questions within your region, please contact one of the following: [email protected], [email protected], [email protected] www.vishay.com 3 APPLICATION NOTE VP Application Note Vishay General Semiconductor Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection 抛负载测试的标准和结果 美国的ISO-7637-2 Pulse 5,和Japan针对14V动力系的JASO A-1测试模拟结果见表2。两个测试条件的电压波形如图7所示。 表 2 – 14V 动力系的主抛负载测试条件 VA (V) RI (Ω) 时间 (ms) 循环 时间 70 12.0 0.8 200 1 88 12.0 1.0 200 1 13.5 0.5 to 4.0 400 1 V TOTAL (VP) (V) JASO A-1 ISO 7637-2 Pulse 5 VS (V) 78.5 to 100.5 65 to 87 (V) 线路阻抗和脉冲时间 JASO A-1: 0.8 Ω, 200 ms ISO-7637: 0.5 Ω min. (0.5 Ω to 4 Ω), 400 ms max. (40 ms to 400 ms) 100 VS 50 VP Vr ISO 7637 Vr + 10 % of VS JASO A-1 36.8 % of VP 0 0 100 200 300 (ms) 400 图7. For ISO-7637-2 Test Conditions, 标准条件是 VS 为 65 V～87 V, Ri （线路阻抗）范围是 0.5 Ω ～ 4 Ω 一些汽车制造商根据ISO-7637-2 Pulse 5，采用了不同的条 件进行抛负载测试。抛负载TVS的峰值钳位电流可以用下面 的公式来估算： 计算峰值钳位电流 I PP = ( V in – V c ) ⁄ R i I PP : 峰值钳位电流 V in : 输入电压 V c : 钳位电压 R i : 线路阻抗 表3显示了Vishay的高功率硅TVS在不同测试标准下的测试结果。 APPLICATION NOTE 表 3 - VISHAY抛负载TVS的钳位电压 测试条件 JASO A-1 VC的标准 10 µs/1000 µs 波形 P = 70 V, T = 200 ms, Ri = 1.5 Ω ISO-7637-2 PULSE 5 VS = 87 V, T = 300 ms, Ri = 0.75 Ω SM5A27 40.0 V at IPP = 55 A 34.1 V at IPP = 47.4 A 36.5 V at IPP = 59.4 A SM5S24A 38.9 V at IPP = 93 A 33.8 V at IPP = 47.6 A 36.1 V at IPP = 60.1 A SM6A27 40.0 V at IPP = 65 A 33.7 V at IPP = 48.1 A 35.8 V at IPP = 60.4 A SM6S24A 38.9 V at IPP = 118 A 33.5 V at IPP = 48.3 A 35.8 V at IPP = 60.4 A SM8A27 40.0 V at IPP = 75 A 33.2 V at IPP = 48.4 A 34.9 V at IPP = 61.1 A SM8S24A 38.9 V at IPP = 170 A 32.1 V at IPP = 48.8 A 34.4 V at IPP = 62.0 A 在这些测试中，Vishay高功率硅TVS的钳位电压低于37V，满足在汽车应用中电压电压稳压器对37V～40V最大输入电压的要求。 www.vishay.com 4 For technical questions within your region, please contact one of the following: [email protected], [email protected], [email protected] Document Number: 89866 Revision: 12-Jan-10 Application Note Vishay General Semiconductor Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection 图 8a 显示SM5A27在JASO A/1测试中的电流和电压波形。 Figure 8a. SM5A27在JASO A-1测试中的 钳位电压和电流 Figure 8b. 在ISO7637-2 测试中，抛负载TVS故障的 钳位电压和电流 图8b显示了在ISO-7637-2测试中，抛负载TVS故障的钳位电 压和电流。钳位电压几乎降到了零，流过器件的电流增加到 了线路阻抗所能允许的最大值。 表4显示了在各种抛负载测试条件下，Vishay的抛负载TVS的 失效率。按照ISO-7637-2 Pulse 5的最高等级衡量，SM8S24A 是最坚固的器件。 表 4 - 各种抛负载测试条件下的失效率 JASO TEST ISO-7637-2 PULSE 5 T = 200 ms, Ri = 0.8 Ω T = 300 ms, Ri = 0.5 Ω 电源电压 70 V 77 V 84 V 87 V 100 V 110 V/25 °C 110 V/85 °C SM5A27 20/0 20/0 20/0 20/0 20/0 20/20 - SM5S22A 20/0 20/0 20/0 20/0 20/0 20/20 - SM5A24A 20/0 20/0 20/0 20/0 20/0 20/20 - SM6A27 20/0 20/0 20/0 20/0 20/0 20/20 - SM6S24A 20/0 20/0 20/0 20/0 20/0 20/20 - SM8A27 20/0 20/0 20/0 20/0 20/0 20/3 20/9 SM8S24A 20/0 20/0 20/0 20/0 20/0 20/0 20/0 I PP = ( V in – V c ) ⁄ R i = ( 110 – 35 ) ⁄ 0,5 = 150 A Document Number: 89866 Revision: 12-Jan-10 For technical questions within your region, please contact one of the following: [email protected], [email protected], [email protected] www.vishay.com 5 APPLICATION NOTE 在ISO-76372最高级别测试条件下，可以用下式计算峰值电流： Application Note Vishay General Semiconductor Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection 两组VISHAY抛负载TVS Vishay有两种用于汽车电子初级保护的抛负载：EPI PAR TVS和Non-EPI PAR TVS。PAR TVS的产品组列在表5中。 表 5 - PAR 抛负载产品组 EPI PAR TVS 封装类型 NON-EPI PAR TVS 6KA24 轴向 表面贴装封装 SM5A27 SM5S 系列 SM6A27 SM6S 系列 SM8A27 SM8S 系列 在反偏模式中，两个产品组具有近似的工作击穿特性。区别在于，EPI-PAR TVS正向模式下具有低 VF 特性，而non-EPI PAR TVS 在同样条件下的 VF 相对高一些， 见表 6。这个特性对加上电源线上的反向电压是很重要的。 表 6 - PAR 抛负载TVS的参数 VF (典型值) (加0.3 ms 脉冲) V 在反向漏电流下的 关态电压 在反向漏电流下的 击穿电压 27 V at 10 mA 0.1 A 6A 100 A SM5A27 0.70 0.93 0.95 22 V at 0.2 µA SM6A27 0.70 0.91 0.94 22 V at 0.5 µA 27 V at 10 mA SM8A27 0.70 0.89 0.93 22 V at 1.0 µA 27 V at 10 mA SM5S24A 0.70 0.92 1.65 24 V at 10 µA 28 V at 5 mA SM6S24A 0.70 0.88 1.50 24 V at 10 µA 28 V at 5 mA SM8S24A 0.70 0.86 1.45 24 V at 10 µA 28 V at 5 mA 大多时候CMOS IC和LSI只能承受非常低的反向电压。 MOSFET的删节也只能承受-1V或更小的反向电压。在反向 的电源输入模式中，电源线的电压与TVS正向电压降(VF)的 电压相同。这种方向偏置模式会导致电路故障。低正向电压 降的EPI PAR TVS能很好地解决这个问题。 另一种电源输入反接的保护方法是使用在电源线中使用极性 保护整流器，如图9所示。 极性保护整流器应当具有足够的正向电流等级、正向浪涌和 反向电压。 Vishay有一大批用于极性保护的标准整流器和肖特基整流器， 这些器件具有宽工作温度范围和优异的电特性。 APPLICATION NOTE 反向 电源输入 电流 TVS VF 受保护 负载 + 图9. 反偏状态 www.vishay.com 6 For technical questions within your region, please contact one of the following: [email protected], [email protected], [email protected] Document Number: 89866 Revision: 12-Jan-10 Application Note Vishay General Semiconductor Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection III) 车载电源线的次级保护 在24V测试条件下，初级保护的击穿电压列在表7中。这些情 况会产生加到稳压器、仪表盘的集成电路和其他电子设备的 高电压。 汽车系统中保护电路的首要目标是高浪涌电压，但钳位电压 也很高，如表2和表7所示。在卡车和小货车的24V动力系中， 次级保护尤其重要。其主要原因是，用于汽车应用的多数稳 压器和DC-DC转换器IC的最大输入电压是45 V～60 V。 表 7 - JASO D-1 抛负载测试 JASO D-1 t = 400 ms, Ri = 1.5 W P/N VP = 110 V VP = 130 V VC IPP SM5S36A 56 V 39.2 A VC IPP SM6S36A 53 V 41.1 A 57 V 52 A SM8S36A 52 V 42.0 A 55 V 53 A N/A 对于此类应用，Vishay建议使用次级保护，如图10所示。 电压被钳位 瞬态电压 电源线 初级保护 电压被钳位 次级保护 R + 限流器 负载 图10. 次级保护电路 在上述条件下的24V电池中，在R = 20 Ω和300mA负载时的 供电电压是8.4V，在R = 10 Ω和电池最小电压为14.4 V （在 - 18 °C 温度下24V电池的电压）时的供电电压是11.4V。 Document Number: 89866 Revision: 12-Jan-10 V L = ( V min ⁄ ( V min ⁄ I L ) ) × ( ( V min ⁄ I L ) – R ) V L : 加到负载上的电压 V min : 最小输入电压 I L : 负载电流 R: 电阻值 R的功率等级 = I 2R 这个供电电压要高于大多数稳压器和DC-DC转换器IC的最小 输入电压。 For technical questions within your region, please contact one of the following: [email protected], [email protected], [email protected] www.vishay.com 7 APPLICATION NOTE 在电源线上加入电阻R，可以减小瞬态电流，这样可以在次 级保护中使用功率等级更小的TVS。电子单元中的微处理器 和逻辑电路需要150 mA～300mA的电流， 在- 18 °C 温度下， 12V电池的最小输出电压是7.2 V，24V电池在同样条件下的 最小输出电压是14.4V。 Application Note Vishay General Semiconductor Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection 在对24V动力系的JASO D-1测试(110 V, t = 400 ms, Ri = 1.5 Ω)中，带有一个限流电阻、用于次级保护的小功率和中功率TVS的 钳位电压见表8。 表 8 - 在JASO D-1测试条件下次级保护TVS的钳位电压 初级保护 次级保护 钳位电压 P/N 钳位电压 SM8S36A 51.3 V R = 10 Ω, 2 W P/N R = 20 Ω, 2 W VC IPP VC IPP TPSMC39A 42.8 V 0.93 A 41.3 V 0.56 A TPSMB39A 44.9 V 0.85 A 42.2 V 0.50 A TPSMA39A 45.6 V 0.75 A 43.3 V 0.45 A TPSMC36A 40.3 V 1.25 A 37.8 V 0.70 A TPSMB36A 43.5 V 1.00 A 39.1 V 0.65 A TPSMA36A 44.0 V 0.90 A 40.6 V 0.60 A 14 V/27 V 电源线 滤波器 C 低电流负载 限流器 R L APPLICATION NOTE TPSMC36A 带有20 Ω电阻 - VC = 37.8 V - IPP = 0.7 A www.vishay.com 8 稳压器 MCU和 逻辑电路 C 初级保护 图11. 在JASO D-1测试下的钳位电压和电流波形 高电流负载 次级保护 图12. 带有噪声滤波器的次级保护电路 备注：所有测试数据都是典型值，容差为± 5 %。 For technical questions within your region, please contact one of the following: [email protected], [email protected], [email protected] Document Number: 89866 Revision: 12-Jan-10