针对车载24V系统抛负载瞬态现象的过压保护电路设计

唐含涵 谭廷庆 周亚棱

（中国汽车工程研究院股份有限公司电动汽车工程技术研发中心）

针对车载24V系统抛负载瞬态现象的过压保护电路设计

唐含涵 谭廷庆 周亚棱

（中国汽车工程研究院股份有限公司电动汽车工程技术研发中心）

针对体现车载24V系统抛负载瞬态现象的测试波形，从能量吸收角度，根据测试波形的不同参数配置设计了电子设备电源输入端口过压保护电路中的关键器件，以确保电子设备的可靠运行。试验结果表明，该方法能有效指导过压保护电路的设计。

1 抛负载瞬态现象分析

由于汽车电气系统中的抛负载瞬态现象电压较高，常常造成车载电子设备损坏。抛负载瞬态现象是指交流发电机在产生充电电流时断开蓄电池与发电机之间的连接，如图1所示，此时交流发电机只与电子设备连接，电子设备将承受突然的脉冲电压，脉冲电压幅度取决于断开蓄电池时发电机的转速及其磁场强度、发电机内部或电气系统中是否有独立的限幅二极管，脉冲电压宽度则取决于发电机励磁电路的时间常数、脉冲幅度及电气系统中的各个参数等因素。发生抛负载瞬态现象的原因可能是线路接触不良、意外断裂或人员操作不当等[1，2]。

对于抛负载瞬态现象，已有国际、国内标准提出了专门的测试波形，例如ISO16750-2中波形4.6.4.2.1用于无集中限幅二极管的系统，波形4.6.4.2.2用于有集中限幅二极管的系统。测试波形中多个参数可以根据需要在一定范围内进行调整。

目前已有文献提出了电子设备满足国际、国内标准中抛负载瞬态现象测试波形的方法，如文献[3]详细介绍了针对车载12V系统的测试要求选择其产品线中合适型号的瞬态电压抑制（TVS，Transient Voltage Suppressor）二极管的方法，文献[2]利用仿真方法对已经选取的应用于12V系统的TVS二极管进行了验证，文献[4]中对某半导体生产商适用于12V系统的各个型号TVS二极管抑制能力进行了总结。

如前所述，现有文献对车载24V系统中抛负载瞬态现象讨论较少，且对于电子设备电源输入端口过压保护电路中的其他器件，如防反向二极管并未介绍，而实际上抛负载瞬态现象对于防反向二极管的电流导通能力也有一定要求。本文以常用的电子设备电源输入端口过压保护电路结构为例，基于24V系统的抛负载瞬态现象测试波形，从能量吸收角度，讨论保护电路中的关键器件——防反向二极管和TVS二极管的选择问题。

2 电源保护电路关键参数计算

2.1 TVS二极管

本文采用的电子设备电源输入端口过压保护电路基本结构如图2所示，其中，D1为防反向二极管，D2为TVS二极管。

将标准ISO16750-2中波形4.6.4.2.1施加到电路的Input输入端时，A点电位即器件D2阴极电位uTVS和其流过的电流id2随测试波形变化情况如图3所示。其中，tclamp为TVS二极管处于钳位状态的持续时间，Uclamp为测试过程中TVS二极管的钳位电压值，US为测试波形的电压峰值，UA为测试波形的电压初始值，td为测试波形电压从0.1（US-UA）上升到0.9（US-UA）再降到0.1（US-UA）的时间，tr为测试波形电压从0.1（US-UA）上升到0.9（US-UA）的时间。

根据文献[5]的附录E，测试波形从0.9（US-UA）降为0.1（US-UA）的变化趋势可表示为:

对于某些电子设备而言，过压保护电路后的负载电流远小于抛负载瞬态现象过程中流过TVS二极管的电流，公式（3）可简化为:

设图2中防反向二极管D1的导通压降为UD1，D2的击穿电压值为Ubr，可将D2处于钳位状态的条件近似表示为:

取波形发生设备的内阻为Ri，测试中的线阻为Rw，id2可表示为:

则在整个测试过程中需要TVS二极管吸收的能量为:

TVS二极管数据手册中的钳位电压值通常是指TVS二极管在某个标准测试波形中两端电位差的峰值，常用的标准测试波形有10/1 000 μs测试波形等。根据文献[6]，在10/1 000 μs测试波形中TVS二极管吸收的能量可近似计算为:

式中，Ip为测试中流过TVS二极管的峰值电流；t1为测试波形上升时间，在10/1 000 μs测试波形中为10 μs；t2为测试波形下降时间，在10/1 000 μs测试波形中为1000 μs；K1为测试波形上升期的能量计算系数；K2为测试波形下降期的能量计算系数。

为确保电子设备能够通过ISO16750-2中针对24 V系统抛负载现象的测试波形，需要选择能够吸收测试过程中的能量并且不会被损坏的TVS二极管，即满足以下的要求:

2.2 防反向二极管

车载电子设备通常都会在电源输入电路中加入防反向二极管，以避免蓄电池的正负极接反后损坏电子设备。在针对抛负载瞬态现象的测试过程中对于防反向二极管需要考虑的参数是其允许的正向导通电流。测试过程中流过防反向二极管的电流是瞬态大电流，该瞬态电流在很短时间内通过二极管并产生较大热量，所选防反向二极管必须能够承受这样的瞬态热量而不被损坏。

如图2所示，流过防反向二极管的电流为TVS二极管电流与负载电流的总和，即:

则流过防反向二极管电流的有效值为:

如前所述，由于某些电子设备其负载电流远小于抛负载瞬态现象过程中流过TVS二极管的电流，可近似认为防反向二极管电流与TVS二极管电流相等，即:则流过防反向二极管电流的有效值为:

根据文献[7]，以上升一定温度为原则，所选防反向二极管允许的正向浪涌导通电流IFSM应满足以下要求，即:

式中，TFSM是指器件手册中正向浪涌导通电流的测试时间。

3 器件选择及适用性

TVS二极管的击穿电压值和钳位电压值需要根据电源输入端口过压保护电路后被保护电路的正常工作电压值和最大工作电压值来选择。在车载24 V系统中通常要求电子设备在16～32 V的供电电源电压区间都能够正常工作，即TVS二极管的击穿电压值不应小于32 V，而钳位电压值则需要小于被保护电路允许的最大工作电压值。根据上述要求，本文所设计的车载控制器选择了VISHAY公司型号为SM8S33A的TVS二极管，其最小击穿电压值为36.7V，标准10/1 000 μs测试波形中的最大钳位电压值为53.3 V。该器件的数据手册中特别标注了其在10/10 000 μs测试波形中能够承受的最大功率为5 200 W，即:

将公式（13）代入公式（6），根据文献[6]，取系数K1为0.5，K2为1.4，可知该TVS二极管在10/10 000 μs测试波形中能够承受的最大能量为72.83 J。

标准ISO16750-2中有两种针对24 V系统抛负载现象的测试波形，本文以图3所示波形为例，该测试波形中有多个参数可由测试人员根据实际情况自行确定，其中关键参数为测试波形的电压峰值Us、测试波形的持续时间td和测试设备内阻Ri。

本文所述控制器的电源输入端口过压保护电路后的负载电流远小于抛负载瞬态现象过程中流过TVS二极管的电流，因此将SM8S33A的钳位电压值代入公式（4），最小击穿电压值代入公式（2），并设定防反向二极管的导通电压为1.5V，测试中连线阻值为0.5Ω，则可计算出各个测试参数配置中该TVS二极管需要吸收的能量。图4为测试波形持续时间为100 ms、200 ms和300 ms时，不同内阻及电压峰值下SM8S33A在测试中需要吸收的能量。从图4中可知，持续时间固定后，对于同一个内阻参数，其吸收的能量随着测试波形电压峰值的增大而增大；对于同一个电压峰值参数，其吸收的能量随着内阻参数的减小而增大。持续时间为100ms时，SM8S33A能满足各种测试参数的要求；持续时间为200ms时，SM8S33A对于电压峰值参数为150V和160V，能满足各种内阻参数的测试要求；持续时间为300ms时，SM8S33A对于电压峰值参数为150V，能满足各种内阻参数的测试要求。

确定TVS二极管后根据其参数，通过公式（10）、公式（11）计算流过防反向二极管的电流有效值，并据此通过公式（12）来选取合适的防反向二极管。图5表示选定TVS二极管SM8S33A后测试波形持续时间分别为100 ms、200 ms和300 ms时，不同内阻及电压峰值情况下与SM8S33A配合使用的防反向二极管需要承受的最小正向浪涌导通电流。从图5中可看到，测试波形持续时间固定后，对于同一个内阻参数，正向浪涌导通电流随着测试波形电压峰值的增大而增大；对于同一个电压峰值参数，正向浪涌导通电流随着内阻参数的减小而增大。

4 试验波形

本文采用ISO16750-2中4.6.4.2.1为测试波形，以所设计的车载控制器为测试对象。第1组测试参数为Us=200 V，td=100 ms，Ri=1 Ω。经计算，TVS二极管需要吸收的能量为64.8 J。选择的防反向二极管是ST公司型号为STTH5R06-Y的二极管，其D2PAK封装的正向浪涌导通电流为70 A，正向导通压降为1.5 V，经计算满足公式（12）的要求。试验波形如图6所示，其中通道1为电流波形，使用的电流钳规格为10 mV/A；通道2为SM8S33A的钳位电压波形。可知试验过程中，SM8S33A对输入的抛负载高压波形进行了有效钳位，能对后续电路提供较好的保护。试验完成后检测所选的TVS二极管及防反向二极管均未损坏，满足试验要求。

本文采用的第2组测试参数为Us=200V，td= 350 ms，Ri=1 Ω。用SM8S33A的相关参数及上述各种假定条件进行计算，TVS二极管需要吸收的能量为244.5J，采用的防反向二极管也为STTH5R06-Y。试验波形如图7所示（其它同图6）。从图7中可看到，由于需要吸收的能量已经超过SM8S33A能够承受的能量，该器件已被损坏，无法有效钳位。试验后检测发现防反向二极管也被损坏，出现短路现象。

试验结果表明，该方法能有效指导过压保护电路的设计。

1蔡登胜.ISO7637道路车辆-传导与偶合的电气骚扰标准介绍及对策.装备制造技术，2007，9:100～103.

2冯奇.汽车音响直流电源滤波器的设计.电子工程专辑，[2008-2-1].http://www.eet-china.com/articleLogin.do?artId= 8800554698&fromWhere=/ART_8800554698_480601_TA_ dabec97f.HTM&catId=480601&newsType=TA&pageNo= null&encode=dabec97f.

3ST.Protection of automotive electronics from electrical hazards，guidelines for design and component selection.电子工程专辑，[2010-4-29].http://www.eetasia.com/ART_880060 5398_499501_AN_837055bf.HTM.

4VISHAY.Transient Voltage Suppressors(TVS)for Automotive Electronic Protection[.http://www.vishay.com/docs/ 88490/tvs.pdf.

5International Organization for Standardization.Road vehicles–Electrical disturbances from conduction and coupling，Part 2 Electrical transient conduction along supply lines only.2nd ed.2004-6-15.

6SEMTECH.CalculatingTransientEnergy.http://www. semtech.com/images/datasheet/calculating_transient_energy. pdf.

7桥诘伸一.功率二极管的基本特性和选定.http://www.niec. co.jp/english/products/pdf/CQdiodeCh.pdf.

8International Organization for Standardization.Road vehicles–Environmental conditions and testing for electrical and electronic equipment，Part 2 Electrical loads.3rd ed. 2010-3-15.

（责任编辑帘青）

修改稿收到日期为2014年10月1日。

Overvoltage Protection Circuit Design for Load-dump Transient Phenomena of Automotive 24V System

Tang Hanhan，Tan Tingqing，Zhou Yaling
（EV Engineering Research Center，China Automotive Engineering Research Institute Co.，Ltd）

To reflect the test waveform of load-dump transient phenomena of automotive 24V system，we design the key components of the overvoltage protection circuit in an electronics power input port according to different parameter configuration of the test waveform and the principle of energy absorption.The test results show that this method can effectively guide the design of the overvoltage protection circuit.

Automotive 24V vehicle systems，Load-dump transient，Overvoltage protection circuit，TVS diode，Anti-reverse diode

车载24V系统抛负载瞬态现象过压保护电路TVS二极管防反向二极管

U463.6

A

1000-3703（2014）12-0040-05