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汽车电子设计中的“抛负载”及保护选型

发布日期:2020-04-25

GRCC汽车电子电气架构创新发展论坛

2020-04-25 19:44:11

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随着汽车成为大众消费品进入千家万户,无论是传统车辆还是新能源PHEV,车辆的长期安全可靠性成为衡量汽车品质的一个重要指标。而保证汽车安全可靠,除了在汽车电子元器件的车规级的认证选型上需要关注之外,对于汽车电子功能模块的保护也越来越重要。

随着汽车成为大众消费品进入千家万户,无论是传统车辆还是新能源PHEV,车辆的长期安全可靠性成为衡量汽车品质的一个重要指标。而保证汽车安全可靠,除了在汽车电子元器件的车规级的认证选型上需要关注之外,对于汽车电子功能模块的保护也越来越重要。

在汽车电子功能模块保护上,除了静电保护(ISO10605)之外,最重要的要算道路行驶车辆的电气瞬变干扰的保护,也就是我们通常提到的汽车电子的测试标准ISO 7637-2 及增强版ISO 16750-2的标准了。

首先,先了解一下这两个标准定义的脉冲


在汽车电子系统所有脉冲中,抛负载是常见而且也是危害比较大的一种现象。那么ISO 7637-2 与ISO16750-2对于抛负载测试有什么差异?

ISO16750-2 相比ISO7637-2更为严格。在抛负载测试时,新的标准要求10分钟做10次测试,没两次测试间隔1分钟。而老的标准仅仅需要做一次抛负载测试。

在大多数新型交流发电机中,抛负载的电压幅度已经通过安装瞬态电压抑制二极管(TVS)而得到抑制(钳位)。

针对抛负载保护,最有效的方式就是选用瞬态抑制二极管(TVS)进行钳位保护。

在讨论5a,5b的保护之前,我们先看看这两种脉冲能量是否有差异。

ISO 7637-2 Pulse 5a-12V TPSMC27A 抛负载(load dump)测试


ISO 7637-2 Pulse 5b-12V TPSMC27A 抛负载(load dump)测试

上面的测试结果可以分析出,从抛负载发生器(或者发动机)端,其实5a,5b波形能量大小是没有差异的。当待测TVS动作,串相同负载条件下,TVS**过的电流是一样的,TVS钳位电压也是一样的。

但是从抛负载电压波形上来讲,5b相对5a    波形是有钳位(或稳压),导致负载端承受的电压远低于5a的波形。

因此,如果在做5a,5b抛负载保护时,若是从被保护器件防止被抛负载能量损坏的角度看,其保护器件的选型应是一致的。

然而在实际应用中,通常抛负载产生时,希望TVS动作,将能量导通泄放倒地,那么5a,5b不同的波形下,保护器件TVS实际承受的能量就会有很大的差异。因为只有当TVS导通以后,才会有大电流流过TVS,因此在不同的抛负载测试波形下,TVS实际承受的能量就有了不同。

在TVS选型之前,先了解两种模式下的实验电压:

不同实验模式下,对TVS的选型也会有差异。

接下来,我们只针对Mode 3  12V系统进行讨论。在模式3条件下,测试电压最大到16V,因此,TVS的Vr(反向截止电压)通常需要高于16V.        


对于 ISO16750-2 12V系统 pulse 5a  Us=101V, R1=1Ω, td=400ms    

选择TVS SLD8S24A,那么TVS是否能满足5a测试

TVS导通后承受的电流:    

Ipp=[(Us+Ua)-Vbr]/(R1+Rd)   

Vbr:TVS 反向击穿电压

Vc:TVS钳位电压

Rd:TVS 导通时阻抗-----可以通过平移 TVS V/I 曲线纵坐标到Vbr,会得出一次函数曲线,Rd=(Vc-Vbr)/Ipp 

查Littelfuse SLD8S24A规格书,计算Rd=(38.9V-26.7V)/180A=0.07Ω

计算TVS导通后流过的电流Ipp=【(101V+12V)-Vbr】/(1Ω+0.07Ω)=(112V-26.7V)/1.07Ω=79.7A@400ms

计算TVS上通过的能量(波形近正弦波,可以套用1/2 x I²t x Rd)W=1/2 x (79.7A)² x td x Rd=1/2*6352.09A² x 400ms * 0.07Ω=88.9J(实际导通时间低于td 400ms)

计算TVS所能承受的最大能量,查规格书知道8.3ms对应Ifsm是1000A

 TVS 能量Wtvs=(Ifsm)² x t x Rf=(1000A)² x 8.3ms x 0.018Ω=149.4J

Rf:TVS 正向导通阻抗,可以通过Vf/100A=1.8V/100A=0.018Ω

100A是规格书定义的测试Vf时的电流

对比可以知道,SLD8S24A能满足pulse 5a 测试

通过SOA测试验证,SLD8S24A可以满足要求

除了TVS在汽车电子中常用于脉冲保护之外,MOV也是常见的保护器件。

以Littelfuse满足AEC-Q200的AUMOV选型为例,在12V系统ISO16750-1 5a,Us=101V,Ua=12V;R1=1.5Ω(设定),td=400ms

1: AUMOV导通后承受的电流:   

Ipp=[(Us+Ua)-Vnom]/(R1+Rd)    

Vnom:AUMOV的压敏电压@1mA

Vc:AUMOV钳位电压

Rd:AUMOV 导通时电压钳位在Vc时阻抗-----可以通过查AUMOV规格书,以V10E17AUTO 为例;Vc=53V@Ipk=5A

Rd=(Vc-Vnom)/Ipp                                                                                                                              

查规格书,计算Rd=(53V-27V)/5A=5.2Ω

计算导通后流过的电流Ipp=【(101V+12V)-Vnom】/(1.5Ω+5.2Ω)=(112V-27V)/6.7Ω≈12.7A@400ms

计算AUMOV上通过的能量(套用1/2  x I²t x Rd)W=1/2 x (12.7A)² x td  x Rd=1/2 x 187.69A² x 400ms x 5.2Ω≈167.7J(实际导通时间低于td 400ms)

如果把5a流过AUMOV上的能量折算成40ms宽度脉冲,计算电流大小

½ x I² x 40ms x (R1+ 0.9Ω)=167.7J;   I²=3493.75A²;  I≈59.1A 

计算V10E17AUTO所能承受的最大能量@400ms

1:查规格书知道2ms(方波)对应Wtm=6.5J---Wtm表示MOV所能承受的最大的2ms焦耳能量值

计算AUMOV在承受最大Wtm时的导通阻抗Rtm;

查规格书曲线2ms时对应的最大电流60A;

Wtm=I² x  t x Rtm;   Rtm=Wtm/ (I² x t);   Rtm= 6.5J/(60A² x 2ms)=0.9Ω

2:查规格书可知40ms宽度的Load dump 能量25J;

计算V10E17AUTO 的load dump 电流  25J=1/2 x I² x 40ms x Rtm ;    I²=50J/(0.04s x  0.9Ω) ;    I²=13.88 X10²A²;    I≈37.3A

在相同load dump 宽度下,可知MOV导通需要承受的5a电流59.1A远高于V10E17AUTO规格书标称load dump 电流37.3A

那么如果换成AUMOV V20E17AUTO型号,是否能满足呢?

计算V20E17AUTO所能承受的最大能量@400ms

1:查规格书知道2ms(方波)对应Wtm=35J---Wtm表示MOV所能承受的最大的2ms焦耳能量值

计算V20E17AUTO在承受最大Wtm时的导通阻抗Rtm;

查规格书曲线2ms时对应的最大电流300A;

Wtm=I² x t x Rtm;    Rtm=Wtm/ (I² x t);   Rtm= 35J/(300A² x 2ms)≈0.19Ω

2: 查规格书可知40ms宽度的Load dump 能量100J;

计算V20E17AUTO 的 load dump 电流  100J=1/2 x I² x 40ms x Rtm ;    I²=200J/(0.04s x  0.19Ω) ;    I²≈2.63 X104A²;    I≈162A

在相同 “抛负载“ 宽度下,可知V20E17AUTO导通需要承受的5a电流59.1A远低于V20E17AUTO规格书标称”抛负载” 电流162A

通过实验,可以看到V20E17AUTO能满足10次Load Dump测试:


作者:李晓辉 Steven Li,Littelfuse FAE


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