TVS 对浪涌功率和浪涌电流的吸收能力取决于PN结的面积,峰值脉冲功率(Pp)的吸收能力可以达到数千瓦 。早期的器件用10/1000us波形来考核,现在通常采用8/20us的波形进行定义 。TVS的吸收峰值脉冲功率(Pp)是由TVS 上的箝位电压和流过TVS的冲击电流的峰值乘积来确定的 。要注意的是:TVS的最大箝位电压与TVS的击穿电压(转折电压)不是一回事,最大箝位电压大约是击穿电压的1.4– 1.5 倍,这也表明TVS有一定的动态电阻 。
实际的TVS瞬变干扰限定电压可以用下式表达:
Uo = (IP/IPP)(UCMAX – UBR) + UBR
式中:IP 是实际的脉冲电流值
IPP是额定的最大脉冲电流
UCMAX 是产品规定的最大箝位电压
UBR 是击穿电压
下图为TPSMC36ATVS 的技术指标,了解每个波形的含义,有助于进行TVS的MathCAD模型仿真分析 。
在ISO7637-2:2004附录E(脉冲发生器能量容量的确定)中,介绍了计算由脉冲发生器传递到匹配电阻(电阻性负载RL)上的脉冲能量的数学模型,如下图:
上式中:
UO —— 开路输出电压
Ri —— 脉冲发生器的电源内阻
RL —— 脉冲发生器的负载电阻
Td —— 0.1Us 至0.1Us 的脉冲宽度
I (t) —— 电流波形函数
U (t) —— 电压波形函数
We —— 单脉冲的能量容量
基于上述双指数脉冲波形能量计算数学模型,在MathCAD 中进行仿真,可以得到TVSTPSMC36A 抛负载测试(Pulse 5)的浪涌功率吸收的仿真结果,见图24 。它能满足GMW3100 中Pulse 5B(Vs + Vr = 46V)的设计要求,但达不到ISO7637-2 中Pulse 5A(Vs + Vr = 100V)的设计要求 。
如果产品设计要求一定通过Pulse5 脉冲,可以更换大功率的TVS 二极管或者将两个或多个TVS 串/并联起来解决高电压和大功率的要求 。将TVS 串联可以获得更高的限定电压值,只是等效TVS 的最大吸收电流取决于串连TVS 中Ip 最低的一个值 。将TVS 并联可以获得更高的限定电流值,只是等效TVS 的最大脉冲电压取决于并联TVS 中VRSM 最低的一个值 。将下图中的D1 换成同系列的TPSMC20A TVS 管,分别采用4 个和5 个并联使用,均能够满足Pulse 5a 的要求,参见Saber 和MathCAD 的仿真结果,见下二图 。从下二图中可以发现:4 个TVS 并联处于设计边缘,风险比较高,5 个并联则有设计风险低 。采用4 或5 个TVS 管,在PCB Layout 中占有的空间比较大,若空间有限,可以选用单个TVS 具有高功率的器件来满足设计要求 。
6 总结
1)汽车的电气系统分为供电系统和用电设备两部分,具有低压、直流和单线制供电特点;
2)汽车电源系统中产生各种各样的瞬态脉冲电流,它是汽车用电设备的传导噪音源;
3)直流电源滤波器主要有π形、T形和L形等四种网络结构,不管采用哪一种网络形式,都要最大程度地满足阻抗失配设计原则;
4)汽车供电系统中的瞬态脉冲噪音,一般集中在音频范围内(20Hz至20KHz),在汽车音响直流滤波器设计中要重点评估扼流圈和电容等器件的选择是否有效地抑制音频噪音干扰(AFI= Audio Frequency Interference);
5)OverVoltage、OverCurrent、ReverseVoltage 和ISO7637-2 中的各种瞬态脉冲等都是汽车音响直流滤波器设计过程中的重要考虑参数;
6)TVS二极管在整个直流电源滤波器中扮演着重要角色,如何选择适合的TVS是解决汽车音响能否通过OverVoltage、反向电压测试和Pulse5 抛负载瞬态脉冲测试的关键;
7)Saber和MathCAD是进行电源滤波器设计电路仿真的有效快捷工具 。
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