TVS在汽车抛负载应用选型设计

TVS作为浪涌抑制器，其应用涉及到通信与电源回路的方方面面，因为太过普遍，很多应用都是参考或延用过往设计，只知其保护效果而不知其根源，本章通过对于抛负载TVS选型计算展开分析，为新项目设计提供思路，该计算方式同样适用于工业TVS选型应用。

TVS二极管，既瞬态抑制二极管，又叫雪崩击穿二极管，其工作原理与核心参数在上一章TVS简介中已经充分展开说明，有需要可以另行阅读。

TVS的选型开始之前首先要了解一些条件： 

1. 回路最高工作电压Vop。

2. 后级电路所能承受的最大电压尖峰Vpk。

3. 该电路的工作频率，直流工作可以直接无视该参数。

4. 工作电压下电路允许的最大漏电流。

5. 所需TVS功率与脉冲时间，如果不知道该参数，可通过后面的计算设计来选型。

初步的TVS选型步骤：

1. 选择TVS工作电压Vr，Vr要大于Vop_max，通常选择1.1~1.2倍。对于漏电流没有要求的话，Vr可以等于Vop_max，甚至可以略低于，前提是漏电流不会太大而烧毁TVS。另外工作电压也没有上限要求，只要钳位电压能保证后级不被打坏即可。

2. 后级电路的耐受电压尖峰是限定TVS工作电压的关键，要求在TVS动作时钳位电压要低于耐受电压尖峰。

3. 对于信号端口高频应用，TVS寄生电容可能会对信号产生衰变，普通600W TVS结电容会达到几十pF到几千pF不等，因此设计时要充分考虑到。

4. 漏电流会对信号产生衰减，因此在设计时也要考虑到。

5. TVS的功率与时间是成反比的，具体计算选型见下方。

相比较而言，抛负载实验是汽车浪涌冲击中条件比较严苛的，根据ISO16750-2 (2010) 5A/5B标准定义，其测试条件与波形如下，从测试条件可以看出抛负载实验极限工况是内阻Ri设定到最小，脉冲宽度调到最宽，其中350~400ms的持续时间远远大于TVS规格里面10/1000us波形，因此计算与实测验证相结合的方式来选定真正合适的解决方案。

表中Un表示正常回路的工作电压与波形图中的Ua是一样的；Us表示5A浪涌冲击峰值电压；Us*是5B平台电压，也是5A对应的保护钳位电压；Ri为5A测试对应的系统内阻，在浪涌冲击中具有限流作用，td浪涌波形持续时间；tr为浪涌电压从10%到90%的爬升时间。

5B波形实际是5A波形钳位后的平台波形，因此5B设计要简单很多，TVS工作电压高于Us*平台电压即可，目的是使5B波形 TVS落后于前端5A波形 TVS动作，从而保证5B TVS免受5A波形冲击损坏，说白了就是5B波形TVS重点是保护5A以外的小浪涌冲击。

TVS二极管反向动态特性可以用动态等效电阻Rc公式来体现，等效电阻斜率如图中红线所示。

Vc=Vbr+Ic*Rc

5A测试等效电路图如下，在钳位保护动作时，测试内阻Ri与TVS动态阻抗Rc用来共同限制回路当中的电流峰值，其中峰值电压为浪涌电压Vs叠加工作峰值电压Va，因此：

为了对于TVS选型正确与否展开分析，这里需要先确定一些测试所需要的参数。假定在12V车载系统：

●    工作峰值电压Ua为13.5V

●    5A波形浪涌峰值电压Us为85V

●    测试系统内阻Ri为1Ω

●    脉冲宽度td为400ms

选定Littelfuse SLD8S24A作为此5A波形保护，已知参数如下：

●    10/1000us对应Ipp为180A

●    钳位电压Vc为38.9V

●    击穿电压Vbrmin为26.7V，Vbrmax为29.5V

通过TVS等效阻抗关系式可以算出等效电阻Rt，其中Vbr选最小值26.7V：

在400ms浪涌冲击下，等效峰值电流Ipp_act为：

通过此时浪涌波形下的尖峰电流，反推回TVS的钳位电压Vc_act:

此时TVS承受的浪涌功率为Ppp_act:

查看SL8S功率曲线可以看出，t1 100ms对应功率约为P1 2300W，而t2 200ms约为P2 2200W，此时对应的功率斜率系数k：

通过斜率系数可以算出400ms所对应的浪涌功率P3：

从计算结果可以看出TVS需要钳位的浪涌功率非常接近并略微超过其耐受功率，但是从功率曲线也可以看出，随着时间增加，其斜率一直在变缓，因此实际TVS在400ms时耐受功率可以超过2000W，这种耐受功率与浪涌功率临界的状态需要通过实测去验证，这里要强调两点，第一，通常TVS设计都会留有裕量，这种临界状态是有很大概率可以通过浪涌冲击；第二，从设计裕量考虑，可以选择更大功率产品或者采用2个12V产品串联方式来解决。

这里把Vbr选定最大值29.5V重新代入计算，可以算出Ppp_act为2159W，因此Vbr选定最大值得出来的结果也即最恶劣的工况。

SLD8S系列作为抛负载专用TVS，规格书同时给出了SOA曲线作为设计参考，从图中可以看出在Vs 85V，td 400ms，系统的测试电阻Ri大于0.9Ω都处于安全工作区，因此可以极大简化设计步骤，同时也侧面验证了在临界状态下，实测结果更能体现TVS的本身抗浪涌能力以及其设计裕量。

相比于抛负载专用TVS，常规TVS并没有给出SOA曲线，细心的小伙伴可以发现前面浪涌尖峰电压是工作电压Va与浪涌电压Vs的叠加，这是抛负载里面常用的尖峰电压公式，实际普通应用场景浪涌电压无需叠加，给出监测到的浪涌电压Vs即可，通过Vs=Vbr+Ipp*(Ri+Rt)公式直接算出浪涌电流，其余步骤与前面一样，如果算出来的Ppp_act小于所选定的TVS功率，那就表示选型合适，鉴于实际工况浪涌尖峰可能会比预估的要高，条件允许的条件下，留有充足的裕量有助于提高产品整体的可靠性。

来源：Littelfuse

作者：Rambo Liu