SM8/5Z Series APPLICATION NOTE Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection 概述: 由於受惠於車用電子的蓬勃發展，越來越多種類的車用電子系統被導入於現今 整車系統當中，例如影音娛樂系統，先進的照明系統，精密的感測系統等。然 而，車用電子系統的日益複雜以及越來越敏感的車用電子元件被導入，關於信 賴性的議題被探討，以及被法規要求。 在車用安全方面，ISO 26262 的系統安全系統架構，以及其第八章對於元件的 要求。可靠度方面，AEC-Q101 制訂元件需要檢測的項目。車用電子系統的 EMC 問題，則有 ISO 10605、ISO 7637 等法規規範。生產方面，則有 TS-16949 的 品質系統要求，製造者必須是合格的車用電子製造者，始能提供產品。眾多方 面的考量以及制定，目的無非是希望提供最佳的可靠度以及穩定性的品質。目 前，用來防護 EMC 問題，主流的保護元件為氣體放電管、壓敏電阻、突波抑制 二極體(Transient Voltage Suppressors)，下表為各類產品的優點以及缺點， 由該表比較可以得知，突波抑制二極體擁有最佳的可靠度、快速反應、低漏電 流等優勢，故對於車用電子系統而言，TVS 是理想的解決方案。 Device Advantages disadvantages Slow Turn-On time Poor voltage accuracy Gas tube Withstand high current surge High ratio value of VC/VB Low capacitance Large size Wear-out problem after surge Withstand high power surge Poor voltage accuracy Low cost High VC and Leakage Small size current MOVs Aging problem Fast <1ns Response time Table 1. The basic characteristics of Gas tube, MOVs, Avalanche TVS Diodes. Small size Avalanche TVS Diodes Very precise voltage accuracy High cost High reliability performance High capacitance Low ratio value of VC/VB Low IR value UN Semiconductor Co., Ltd. Revision February 3, 2015 www.unsemi.com.tw 1 / 10 @ UN Semiconductor Co., Ltd. 2013 Specifications are subject to change without notice. Please refer to www.unsemi.com.tw for current information. SM8/5Z Series APPLICATION NOTE Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection TVS 基本特性 : 右圖為 TVS 產品的基本電壓電流 特性圖，以下為基本參數介紹: Breakdown Voltage (V B ): 崩潰電壓為 TVS 開始準備進入導 通狀態的電壓點，該電壓點可以 藉由測試電流測試。 Maximum Breakdown Voltage (V C : Clamping Voltage): 當施加一突波於 TVS 時，TVS 會 抑制突波電壓，該抑制後的電壓 為 V C 值。 Stand-Off Voltage (V RWM : Working Stand-Off Reverse Voltage): 該電壓是指，在 TVS 不是處在突波 保護時，所能承受的最大系統工作 電壓。 Figure 2. The pulse waveform of 10/1000us. Power rating: TVS 的功率是用來評估吸收突波能量的方法。業界的測試標準為 10/1000us 衝 擊波，如圖二所示。這個測試條件與 ESD 或者雷擊波不同，然而可以用來初步 評估 TVS 的防護能力，以及箝制後的電壓高度。 UN Semiconductor Co., Ltd. Revision February 3, 2015 www.unsemi.com.tw 2 / 10 @ UN Semiconductor Co., Ltd. 2013 Specifications are subject to change without notice. Please refer to www.unsemi.com.tw for current information. SM8/5Z Series APPLICATION NOTE Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection 拋負載現象說明： THE MAJOR THREAT OF THE AUTOMOTIVE POWER LINE (LOAD DUMP EVENT) 如下圖三所示，為基本的車用電源系統架構，電源提供來源為發電機與電瓶。 所有的車用電子皆連接於同一條電源線上，例如，電子控制單元、感測器、影 音娛樂系統等車用電子系統。目前，主流的國際法規來自於美國 ISO 所發行的 ISO7637-2 以及日本 JASO。兩者法規皆用來模擬車用環境裡所會產生的電磁干 擾源(EMI)，並提供突波的定義與產品所需通過的標準。 由於所有的負載掛載於同一條電源線上，加上電源來源非穩定的 DC 供電系統， 而是發電機與電瓶的組合，將導致雜訊電壓嚴重產生。以 ISO 7637-2 法規標 準，常見的危害可以分為五種波形。 於這五種雜訊電壓裡，5a 拋負載脈衝所產生之能量最為強大，故而，所造成之 危害也最為嚴重。該情節 UN Semiconductor Co., Ltd. Revision February 3, 2015 www.unsemi.com.tw 3 / 10 @ UN Semiconductor Co., Ltd. 2013 Specifications are subject to change without notice. Please refer to www.unsemi.com.tw for current information. SM8/5Z Series APPLICATION NOTE Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection 為引擎發動時，發電機正 產生充電電流，這時電瓶 脫離，會產生拋負載現 象。 以下列舉可能的發生情 節: -電線腐蝕導致的情況 -不良接觸或者突然發生 斷線的情況 -當引擎仍在發動時，內部 其他原因造成斷線的情況 圖四為 ISO 7637-2 所制定之衝擊波，下表二為衝擊波的詳細參數設定，12V 與 24V 系統分別有不同的波形設定。 其中: U A 為系統工作電壓; U S 為峰值脈衝電壓; R i 為發電機的內阻值; t d 為 持續時間。 UN Semiconductor Co., Ltd. Revision February 3, 2015 www.unsemi.com.tw 4 / 10 @ UN Semiconductor Co., Ltd. 2013 Specifications are subject to change without notice. Please refer to www.unsemi.com.tw for current information. SM8/5Z Series APPLICATION NOTE Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection 發電機內阻值的計算方式為: 其中: Unom 為發電機電壓;Irated 為發電機輸出電流於轉速為 6000min−1 的條件 下;Nact 為發電機實際速度，單位為 min−1 。 如前面所說明的，TVS 可以用於車 用電子防護 ，右圖五為基本保護架 構，波形 5a 由測試機產生。 當衝擊波產生後，TVS 會反映出箝 制電壓 VC 與衝擊電流 IPP 。 箝制電壓 VC 與衝擊電流 IPP 可以用 以下公式進行計算: 其中: IPP 為峰值衝擊電流，單位為 A。 VIN 為輸入電壓，單位為 V。 VC 為箝制電壓，單位為 V。 Ri 為線路阻抗，單位為Ω。 UN Semiconductor Co., Ltd. Revision February 3, 2015 www.unsemi.com.tw 5 / 10 @ UN Semiconductor Co., Ltd. 2013 Specifications are subject to change without notice. Please refer to www.unsemi.com.tw for current information. SM8/5Z Series APPLICATION NOTE Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection UN 半導體- - 車用電子產品能力介紹 : SM8Z series 由上一個章節的說明可以得知 ， 拋負載衝擊對於車用電子會造成極大的危害 。 ISO7637-2 針對拋負載脈衝除了做波形模擬外，也對安全作了四個級別，而下 表為最高級別的基本要求項目，衝擊波電壓需拉至法規最大上限值: 持續時間與阻抗的設定則與本身所搭載的發電機有關，然而，由於車用環境的 高可靠度要求，在本章節產品能力的介紹中，參考 ISO 7637-2 5A 的測試規範， 我們直接對樣品施加以下嚴苛規格，如下表四所示，12V 系統直接定義於最長 持續時間 400mS，阻抗定義於最低 0.5Ω，故而 TVS 本身需承受最為嚴苛的測 試。而 24V 系統直接定義於最長持續時間 350mS，阻抗定義於 2Ω的嚴苛條件。 SYSTEM Test Level Us td (mS) Ri(Ω) Number of pulse 12V IV 87 400 0.5 1 pulse 24V IV 173 350 2 1 pulse Table 4. The setting of test conditions for 12V and 24V system 以下為測試機輸出波形 ， 分別為 12V 以及 24V 系統測試波 ， 該波形符合 ISO 7637-2 對於波形的定義與要求，由波形圖可以看出，該波的輸出電壓頗高，且 擁有很長的衝擊時間。 UN Semiconductor Co., Ltd. Revision February 3, 2015 www.unsemi.com.tw 6 / 10 @ UN Semiconductor Co., Ltd. 2013 Specifications are subject to change without notice. Please refer to www.unsemi.com.tw for current information. SM8/5Z Series APPLICATION NOTE Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection 由於發電機與電瓶所提供的工作電壓並非穩定 DC 電源， 電壓會有浮動，保險起見，12V 系統我們採用 TVS SM8Z22A，24V 系統我們採用 TVS SM8Z33A ，右圖 為我司 SM8Z 以及 SM5Z 系列產品外觀，兩者外觀 相同。以下為產品的基本電性規格。以 SM8Z22A 為例，產品於 22V 偏壓下，漏電流將小於 10uA， 而於 24.4V 將開始準備進入導通狀態，最大 V C 值為 35.5V。 Table 5. The electrical characteristics of SM8Z33A and SM8Z22A Part Breakdown Voltage Maximum Maximum Working Maximum Maximum number VBR @IT Reverse IR@VRWM Peak Reverse Surge Clamping Leakage TJ =175 Reverse Current Voltage IR (uA) Voltage VRWM IPP(A) (1) VC @IPP (V) Min( Max( V) V) IT (mA) @VRWM (V) (uA) SM8Z22A 24.4 26.9 5 10 150 22 186 35.5 SM8Z33A 36.7 40.6 5 10 150 22 124 53.3 NOTE 1: Surge current waveform is defined at 10/1000uS waveform UN Semiconductor Co., Ltd. Revision February 3, 2015 www.unsemi.com.tw 7 / 10 @ UN Semiconductor Co., Ltd. 2013 Specifications are subject to change without notice. Please refer to www.unsemi.com.tw for current information. SM8/5Z Series APPLICATION NOTE Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection 取樣 SM8Z22A 20PCS，應用於 12V 系統的測試條件，另外取樣 SM8Z33A，應用 於 24V 系統的測試條件，表六為測試狀況，在施打一次的衝擊波後，產品皆通 過測試，另外，於元件冷卻後，再重複施打相同測試條件，產品展現絕佳的信 賴性表現，沒有任何失效問題。 如前述所談，TVS 擁有絕佳的電壓抑制能力，用來保護後段電路免於遭受高電 壓的衝擊，下圖分別為 SM8Z33A、SM8Z22A 的電壓抑制效果，並且將衝擊波進 行分流。經過示波器量測，電壓分別抑制於 48.4V、31.2V，該抑制後的電壓， 將使後段電路免於遭受衝擊。 UN Semiconductor Co., Ltd. Revision February 3, 2015 www.unsemi.com.tw 8 / 10 @ UN Semiconductor Co., Ltd. 2013 Specifications are subject to change without notice. Please refer to www.unsemi.com.tw for current information. SM8/5Z Series APPLICATION NOTE Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection SM5Z series 由於發電機功率大小的不同以及眾多應用設計上的差異等，面臨拋負載脈衝的 威脅性也不同，較低功率的 SM5Z 系列可提供設計者另外一種選擇。在此，我 們依然依照法規要求的第四級作為測試標準，另外，24V 系統直接定義於最長 持續時間 350mS，阻抗定義於 3.5Ω，如下表測試條件。 針對 24V 系統我們採用 TVS SM5Z33A，以下為產品的基本電性規格。SM5Z22A 於 33V 偏壓下，漏電流將小於 10uA，而於 36.7V 將開始準備進入導通狀態，最 大 VC 值為 53.3V。 取樣 SM5Z33A，應用於 24V 系統的測試條件，表九為測試狀況，在施打一次的 衝擊波後，產品皆通過測試，另外，於元件冷卻後，再重複施打相同測試條件， 產品展現絕佳的信賴性表現，沒有任何失效問題。 UN Semiconductor Co., Ltd. Revision February 3, 2015 www.unsemi.com.tw 9 / 10 @ UN Semiconductor Co., Ltd. 2013 Specifications are subject to change without notice. Please refer to www.unsemi.com.tw for current information. SM8/5Z Series APPLICATION NOTE Transient Voltage Suppressors (TVS) for Automotive Electronic Protection 下圖分別為 SM5Z33A，經過示波器量測，電壓分別抑制於 48.8V。 結論 : 由於現今的車用電子越趨複雜，所有的車用電子系統應該需要搭配保護元件來 免除眾多種類的突波干擾，進而造成損害。根據 ISO 7637-2 法規所描述的眾 多情節裡，波形 5a 拋負載脈衝所產生之能量最為強大，故而，所造成之危害 也最為嚴重。藉由 SM8Z 以及 SM5Z 系列產品的實際測試結果，SM8Z 以及 SM5Z 系列產品擁有極高的可靠度用來克服 ISO 7637-2 波形 5a 拋負載脈衝，從而 提供極高的防護能力給予車用電子系統。 UN Semiconductor Co., Ltd. Revision February 3, 2015 www.unsemi.com.tw 10 / 10 @ UN Semiconductor Co., Ltd. 2013 Specifications are subject to change without notice. Please refer to www.unsemi.com.tw for current information.