电子元器件应用-汽车专用分立电子元件

分立半导体:整流器光电子射频晶体管二极管光电子金属氧化物半导体场效应晶体管集成电路齐纳击穿和干扰抑制二极管特许专业代理商WESTPACELECTRONICSLIMITED威柏电子有限公司上海:上海市南丹东路238号金轩大厦27楼A座TEL:[phone]FAX:[phone]深圳:深圳市福田区金田路诺德中心17楼B室TEL:[phone]FAX:[phone]青岛:青岛市市南区丰县路2号博思公寓2-1902TEL:[phone]FAX:[phone]专业生产高品质，性能可靠，领先技术之汽车专用分立电子元件TS16949无源组件:电容器电阻器磁性组件应用:动力转向防抱死刹车车身控制单元发动机控制单元自动变速箱控制单元制热通风空调控制单元仪表刹车灯自动雨刮氙气车灯安全气囊卫星导航技术研发中心：东莞市凤岗镇金凤凰开发工业区金城路VishayAUTOMOTIVEAPPLICATIONOVERVIEWELECTRONICCONTROLUNITSCHASSISHVAC&THERMALMANAGEMENTSENSORSBODYELECTRICPRECRASHSENSORSCLIMATRONICABS&ESP&ASRAIRBAGTRANSMISSIONPOWERTRAINLIGHTINGDOOR&WINDOW&SEATCONTROLINJECTIONDRIVEENGINECONTROLUNITAUDIO&TELEMATICDRIVERINFOSYSTEMSCOMFORTELECTRICPASSIVEENTRYEHPS&EPS香港九龙观塘成业街16号怡生工业中心H1座7字楼TEL:(852)27635991FAX:[phone]E-mail:[e-mail]:针对大功率和混合动力汽车而优化的负载突降保护策略作者：高级应用经理SweetmanKim，Vishay通用半导体台湾有限公司汽车生产状况及预测全球轻型汽车产量——百万辆地区20062007200820092010201120132015北美15.815.916.116.516.817.017.217.2西欧15.615.815.816.216.416.616.616.8日本10.510.610.710.710.710.610.410.4韩国3.73.83.83.83.93.93.93.7中国5.16.27.17.78.28.89.610.8东欧4.65.15.66.06.36.56.76.8南美2.93.03.13.23.23.33.43.5俄罗斯6.16.87.78.28.69.09.59.8总数64.367.269.972.474.175.777.379.0数据来源：IMS研究（2007年6月）42V系统（包括中型混合动力汽车）——轻型汽车总数百分比20062007200820092010201120132015台数0.1290.1810.2190.3300.5450.8862.4414.277轻型汽车总产量（%）0.20.30.30.50.71.23.25.4混合动力汽车20062007200820092010201120132015台数0.4200.4850.6120.7811.0061.3252.0672.979轻型汽车总产量（%）11111234汽车负载突降保护的重要性今天，汽车中并联在供电线路上的许多电子控制器和设备与三、四十年前生产的汽车有了很大的不同。那时汽车中的唯一的电子设备就是汽车收音机。今天，一辆汽车中配备了若干电子设备，其中一些是与安全驾驶有关的，而这些电子设备的故障会引起汽车操作严重的麻烦。这类并联的电子系统如图1所示，所有连接在供电线路上的电子系统的保护器件不可能平均分担瞬特许专业代理商WESTPACELECTRONICSLIMITED威柏电子态能量。瞬态能量对连接的那些最低阻抗的保护器件的影响尤为严重。因此，在汽车电子设计中，一个保护器件要能够安全地承受负载突降状态瞬变的全部能量。图2是出现故障的仪表板（clusterpanel）负载突降的照片，其故障原因在于，流经这个器件的电流没有与汽车中另一个电子单元中的其他保护器件共同分担。图2：负载突降故障图1：抑制模型负载突降保护电路和器件的比较有几种类型的电路或器件可应用于负载突降保护，而且一些器件的制造商可以使之满足负载突降保护功能的需要。典型的瞬态电压保护可以划分为如图3所示的三种操作类型。图3：保护电路的类型分流型是检测输入电压和接通跨电力线对地的器件。用于分流调节的开关器件或保护电路是晶体管和可控硅。雪崩击穿二极管、齐纳二极管、可控硅型TVS和MOV是这种保护类型的自触发器件。其优势在于简单的结构，而不利则是要求开关器件具有大功率能力。特许专业代理商WESTPACELECTRONICSLIMITED威柏电子当负载出现故障或电气短路时，通常可以使用自恢复截止开关进行大电流保护。某些电源管理IC集成了这个功能，以便为客户提供简单的设计并节省空间。其优势在于保护器件不需要处理大电流，因此可以减小空间，而缺点是在负载突降状态下开关截止功率期间，需要大存储电容器为负载提供能量。线性稳压器型在控制供电方面具有良好的特性，缺点是需要大功率晶体管来消除输出电压之间的电压差异和器件本身的高浪涌电压。在抑制模型下，负载突降状态下的自恢复截止和线性稳压器具有高阻抗，而这种高能量会流向连接电子或电力设备的保护最差的器件。这就是通用设计拓扑结构的负载突降保护采用分流型的原因。利用Crowbar和箝位型等操作特性可以将分流型保护电路划分为两组。当器件处于导通状态时，Crowbar操作类似于电气短路，不适用于汽车的保护。图4：操作波形汽车电子系统常见的保护方法是将高电压值箝制到器件或电路的设定电压，而Vishay通用半导体有各种额定功率的用于负载突降保护的产品系列。用于负载突降保护的流行器件是“雪崩击穿二极管”、“齐纳二极管”和“金属氧化物变阻器”。特许专业代理商WESTPACELECTRONICSLIMITED威柏电子图5：保护器件的符号金属氧化物变阻器类似于陶瓷电容器，其基本结构是合成氧化锌（ZnO）化合物，它具有双向击穿特性，可以无方向保护反向输入。在结构方面，多层和多路（multipass）结构的MOV在响应高能瞬变方面存在一定的时延。同时，处于连续瞬变下的MOV微粒的疲劳会导致箝位电压和浪涌能力下降（参见脚注）。齐纳二极管类似于雪崩击穿二极管，由于具有比雪崩击穿二极管更低的浪涌功率能力，其主要应用是调节而不是防止高能量瞬变。Vishay通用半导体的雪崩击穿二极管型负载突降系列，适用于各种负载突降仿真测试的高能瞬变，以及快速响应和高可靠性的实际应用。汽车电子，如电子控制单元、传感器和娱乐系统，都是连接在一根电力线上。这些电子产品的功率来源是电池和发电机，两者的输出电压都不稳定，会受到温度、操作状态和其他条件的影响。此外，由于这些系统使用了螺线管负载，如燃料喷射、气门、发动机、电气和水解控制器，ESD、尖峰噪声和各种瞬变及浪涌电压都会进入电源及汽车系统的信号线。图A-1：典型的汽车电源总线什么是负载突降？在引擎运行过程中断开电池时，要由发电机向汽车的电力线提供电流，就会出现最糟糕的浪涌电压情况。这种情况就是“负载突降”，大多数汽车制造商和行业协会都为这种负载突降情况规定了一个最高的电压、线路电阻和持续时间，如图A-2所示。这种情况的两个著名的测试仿真是：用于14V传动系统的美国的ISO-7637-2Pulse5和日本的JASOA-1，以及用于27V传动系统的JASOD-1。特许专业代理商WESTPACELECTRONICSLIMITED威柏电子在本节中，我们将讨论14V传动系统负载突降的TVS应用。图A-2：输出负载突降条件下的发电机电压如图A-3所示，Vishay的大功率硅TransZorb®TVS可用来防止易受攻击的电路受到电气过应力的影响，以确保高可靠性。至于初级保护，TVS可以吸收负突降条件下的高能量。图A-3：典型的保护电路DO-218ABI）负载突降测试的规范和结果表1是用于14V传动系统的美国的ISO-7637-2Pulse5和日本的JASOA-1测试的仿真。两项测试的电压波形如图A-4a所示。特许专业代理商WESTPACELECTRONICSLIMITED威柏电子总电压（VP）（V）VS（V）VA（V）Ri（Ω）时间（ms）周期时间7012.00.82001JASOA-18812.01.02001ISO7637-2Pulse578.5–100.565–8713.50.5–4.04001表A-1：14V传动系统的主要负载突降测试条件对ISO-7637-2测试条件来说，标准条件为65V至87V的VS范围，Ri（线路电阻）的范围为0.5Ω至4Ω。一些汽车制造商为基于ISO-7637-2Pulse5的负载突降测试规定了不同的条件。负载突降TVS的峰值箝位电流是由以下公式A-1计算出来的：图A-4a：测试条件波形图A-4b：ISO-7637-2graph5a的波形负载突降状态的额定功率是由内阻表示的，由该公式得到了一个发电机的内阻，如公式A-1所示。Ri=（10XUnomXNact）/（0.8XIratedX12,000min-1）Unom表示发电机的电压；Nact表示发电机的实际速度，为分钟的倒数；Irated表示速度为6,000min-1（如ISO8854中规定的那样）的发电机设定电流公式A-1：峰值箝位电流的计算以上公式适用于当前传统的小型旅行车使用的常见的发电机，其线路电阻为：60A输出发电机的最特许专业代理商WESTPACELECTRONICSLIMITED威柏电子小Ri为1.1Ω，120A输出发电机为0.6Ω。ISO7637-2规定了负载突降情况下的浪涌条件为5-6-5c）。C）在5-6-5测试脉冲的5a和ISO-7637-2的5b中规定了“该脉冲是由峰值电压Us、箝位电压Us*、内阻Ri和脉冲持续时间td决定的；在所有情况下，低Us值与低Ri和td值有关，而高Us值与高Ri和td值有关。”但是，Us、Ri和td没有明显的匹配。汽车工程师们是在汽车制造商的标准下进行器件和电子单元的测试。Vishay每个额定功率的负载突降系列都可以满足ISO-7637-2的要求，而不仅是汽车制造商的测试规范。IPP=（Vin–Vc）/（Ri+Rd）IPP：峰值箝位电流，Vin：输入电压，Vc：箝位电压，Ri：线路电阻，Rd：TVS内阻（简单计算的零关系）公式A-2：峰值箝位电流的计算表A-2所示为Vishay的大功率硅TVS在不同测试规范下的测试结果。VC指标JASO-A1ISO-7637-2Pulse5测试条件10/1000µs波形Vp=70V，t=200ms，Ri=0.8ΩVs=87V，t=300ms，Ri=0.75ΩSM5A2740.0V，在IPP=55A34.1V，在IPP=47.4A36.5V，在IPP=59.4ASM5S24A38.9V，在IPP=93A33.8V，在IPP=47.6A36.1V，在IPP=60.1ASM6A2740.0V，在IPP=65A33.7V，在IPP=48.1A35.8V，在IPP=60.4ASM6S24A38.9V，在IPP=118A33.5V，在IPP=48.3A35.8V，在IPP=60.4ASM8A2740.0V，在IPP=75A33.2V，在IPP=48.4A34.9V，在IPP=61.1ASM8S24A38.9V，在IPP=170A32.1V，在IPP=48.8A34.4V，在IPP=62.0A表A-2：Vishay的负载突降TVS箝位电压这些测试中Vishay的大功率硅TVS的箝位电压低于37V，满足汽车应用稳压器对37V至40V的最大输入电压范围的要求。图A-5a所示为JASOA-1测试中S