汽車電子電源保護: 我不是一顆「芯」在戰鬥!

2021-01-09 電子發燒友
汽車電子電源保護： 我不是一顆「芯」在戰鬥!

雷卯電子 發表於 2020-03-15 16:44:00

摘要：

我國對汽車EMC的要求越來越規範和嚴格，普通單晶片的TVS保護已經不能滿足車廠的要求，所以雷卯電子推出汽車級，雙晶片，三晶片TVS，主要應對7637拋負載的測試保護。

一、電源危害類型

這種電氣應力威脅主要參考ISO 7637-2和ISO 10605標準。

圖1顯示了主要供電電壓瞬變形式的圖示。

圖1：供電線上的各種浪湧波形

「6 V Crank」是由汽車起動引起的。暫降的能量需發動機使電源電壓下降到6 V。

「87V Load dump」拋負載是由於放電電池與發電機斷開而引起的，當交流發電機產生充電電流時，這個瞬變可以持續400毫秒，而等效發電機內阻被指定為最低0.5Ω至最大4Ω。

「+ 150 - 220 V Spikes」是由於點火系統點燃汽油混合物必須的電壓，這個尖峰的頻率取決於發動機的轉速和氣缸數。

「

24 V Jump start」的結果是臨時應用過電壓超過了電池電壓，電路電源可能遭受暫時過電壓。由於調節器失靈或故意產生時就有必要提高條件啟動汽車。在這種情況下，部分汽車修理時採用24伏電池跳啟動汽車，汽車規格要求支持這種過電壓應用持續60秒。

「Reverse battery」是電池反轉的結果。系統必須能承受由於電池極性接反產品的反電壓。

「25KV ESD Spikes」是靜電放電（ESD）的結果。

所有這些電壓波動都可能通過傳導或輻射危害電子產品的正常使用。

最有威脅的電壓瞬變是由拋負載和跳啟動引起的電壓瞬變，但所有其他危害都可能影響電子模塊的正常運行。

二、電源危害保護

針對電路上產生的種種威脅，如何做到有效的保護而又不影響行車供電，需要在電路的電源側做一些保護措施。

市面上做汽車電子產品的客戶越來越多，由於不熟悉標準，或者沒有汽車電源保護設計方面的經驗，使得產品在可靠性實驗室屢次測試失敗或裝在整車上總是經常失效，引起我們的關注。

所以有必要推廣一些可靠的方案來讓大家的電路更安全，高效。

從圖1的波形圖看出，電氣危害的能量其實就是豎坐標波形幅度和橫坐標波形寬度的佔比，

所以容易看出，87V load dump是威脅最大的一個測試項目，這個項目常常稱作ISO7637-2 P5A，或者ISO16750 PUSLE A。

對於超標的波形，有很多種方案可以選用：

1、直接關斷

2、電壓抑制

各種方法都有採用的場合：

直接關斷：是保護後端設備最有效而且最直接的辦法，若該汽車電子產品是車上可有可無的產品，允許對其斷電，則可以採用第1種保護措施，這種措施一般是採用高耐壓的MOS管取樣開關。

電壓抑制：這種方案多用於汽車關鍵部件，因為需持續供電，保證供電端的電壓存在。

第2種保護措施是目前整車廠比較認可的方案，其電路圖如下圖2：

圖2：拋負載保護方案

雷卯電子汽車級Power TVS顧名思義，是高功率的TVS，通流量大，箝位電壓低，所以特別適用於汽車電子的電源保護。

圖3示意了電路設置TVS前後的浪湧電壓和電流波形的對比。

Vs=100V表示的是原12V 系統的測試電壓，一般為100V=87+13;

Vcl=36.5V 表示增加了TVS後端電路的電壓曲線，看得出電壓得到有效的抑制，確保後端晶片不會損壞；

Ip=125A 表示通過TVS的瞬時大電流達到125A，因為TVS器件的導通，大電流的流過，使得非常強的浪湧得到洩放，電路安全。

Tj表示了，經過每次波形測試後，器件、板卡的溫度有增加。

圖3：電路設置TVS前後波形圖

三、需要什麼級別的TVS

從專業角度，大家知道汽車電子分為12V 系統和24V 系統，具體理解為12V系統用於乘用小汽車，而24V系統則用於大客車、貨車、特種車。

這2套系統的測試指標和級別各不相同，故分類說明。

我國對汽車EMC的要求越來越規範和嚴格，普通單晶片的TVS保護已經不能滿足車廠的要求，所以雷卯推出汽車級，雙晶片，三晶片TVS，主要應對7637拋負載的測試保護。

針對12V系統，根據各大整車廠的內部標準，我們測試了以下各種雙晶片、三晶片的TVS產品應用。

表一 12V系統TVS測試通過表

項目 ISO 7637 Test Pulse 5a           12V system             UA/B 13.5V           US 87V 87V 87V 87V 80V(JASO標準) 87V Ri 4 2 2 2 0.8 0.5 td 100ms 50ms 150ms 400MS 200ms 400ms pulses 10次 10次 10次 10次 10次 10次 LeiditechAuto
TVS Solution SMDJ24A
SMDJ22A 5.0SMDJ22A
5.0SMDJ20A 6.6SMDJ22A
6.6SMDJ20A P8S22CA
SM8S22A P8S22CA P8S24CA

表二 24V系統TVS測試通過表

項目 ISO 7637 Test Pulse 5a           24V system             UA/B 27V           US 123V 123V 174V 174V 174V 174 Ri 4 2 4 2 1 1 td 350ms 350ms 350ms 350MS 100MS 200MS pulses 10次 10次 10次 10次 10次 10 Leiditech Auto
TVS Solution 5KP36CA P5S36CA P6S36CA
SM8S36A P8S36CA
P8S33CA P10S36CA
P10S36CA P12S33CA
P12S36CA

四、測試儀器如何設置

7637測試儀器各式各樣，但是要關注測試指標非常重要，示波器設置好對應的電壓和電流，可以抓取到波形。

圖4：拋負載參數設置界面圖

圖5：示波器波形圖

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