汽车生产状况及预测
全球轻型汽车产量——百万辆
42 V系统(包括中型混合动力汽车)——轻型汽车总数百分比
混合动力汽车
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。
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。
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。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Crow bar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，Crow bar操作类似于电气短路，不适用于汽车的保护。
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”。
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（multi pass）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。
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14 V传动系统的美国的ISO-7637-2 Pulse 5和日本的JASO A-1，以及用于27 V传动系统的JASO D-1。在本节中，我们将讨论14 V传动系统负载突降的TVS应用。
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。|
I）负载突降测试的规范和结果
表1是用于14 V传动系统的美国的ISO-7637-2 Pulse 5和日本的JASO A-1测试的仿真。两项测试的电压波形如图A-4a所示。
对ISO-7637-2测试条件来说，标准条件为65 V至87 V的VS范围，Ri（线路电阻）的范围为0.5 Ω至4 Ω。一些汽车制造商为基于ISO-7637-2 Pulse 5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：
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。
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：60 A输出发电机的最小Ri为1.1 Ω，120 A输出发电机为0.6 Ω。ISO 7637-2规定了负载突降情况下的浪涌条件为5-6-5 c）。
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。
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。
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37 V，满足汽车应用稳压器对37 V至40 V的最大输入电压范围的要求。
图A-5a所示为JASO A-1测试中SM5A27的电流和电压波形。
图A-5b所示为ISO 7637-2测试中负载突降TVS故障的箝位电压和电流。箝位压降接近为零，而流经器件的电流增加到了线路电阻允许的最大值。大型发电机
对于14 V系统的大型发电机来说，由以下ISO7637-2和ISO-8854的公式1）得出的220 A的发电机内阻为0.33 Ω，300 A型的内阻为0.24 Ω。
42 V电源网络的反向极性保护
12 V电源系统中的极性反向规范习惯上通常允许在25℃条件下1分钟以内为–2 V，而常用解决方案在汽车中每个电子单元的电源输入线上使用一个整流器，以降低电流损耗，如图C-9所示，这不适用于大电流应用。
极性保护二极管规范是由负载电流和输入电压确定的，通常使用400 V级别的标准恢复整流器，因为ISO 7637-2 test pulse 3a的–12 V电源系统为-150 V，而ISO 7637-2 pulse 1的24 V系统为-600 V整流器。
在改进的技术或中型混合动力汽车中采用了许多大电流应用，如停车时无喷射的发动机驱动引擎，以及作为电动助力转向和电子制动系统的液压动力控制，都要求大电流，而且中型混合动力汽车中的14 V电力线还需要DC-DC转换器模块。
大电流应用极性保护的一种解决方案是使用高正向电流能力的整流器，或者是在电力线中使用没有极性保护二极管的负载突降TVS，如图C-10所示。
这种应用的基本工作概念和局限性是；
- - 负载突降TVS旁路所有反向偏压电流
- - 大电流时的正向压降应该低于2 V
- - 高正向浪涌能力可承受大电流，直至保险丝熔断
Vishay负载突降系列可以满足上述所有条件，第一个条件是整流器的基本功能，第二个条件是通过表1满足的。Vishay负载突降系列的正向压降在100 A电流条件下低于1.7 V。第三个条件取决于保险丝类型和额定值。
标准型汽车保险丝是快动作和不规定时间与电流关系的。一家典型快动作保险丝制造商规定，在600 %额定值时开路时间最小为30 ms，最大为100 ms。
用于汽车的典型20 A慢动作（slo-blo）型保险丝规定的120 A的开路时间为1秒，400 A时为10 ms。
汽车中电力电缆或普通跳线启动（jump start）电缆中的电阻为每米0.01 Ω，而计算反向偏压的浪涌电流的通用规范在14 V条件下为0.035 Ω或0.050 Ω。Vishay负载突降系列SM5S的正向浪涌能力是500 A，SM6S为600 A，而8.3 ms热启动SM8S型为700 A正弦波。每个系列的熔断率（I2T）是1000 A2S、1500 A2S和2000 A2S。电路利用了20 A 慢动作型保险丝和反向偏压的36 V电池，冲流可以低于700 A峰值（36 V-VF）/0.05 Ω，而保险丝规范规定的慢动作保险丝的开路时间小于5 ms，SM8S可以旁路这个巨大的电流，而不会造成器件故障或损坏电子单元。
结论
汽车的新趋势是需要更多的电子控制和更多的电能，发电机也比过去更大。中型混合动力汽车中使用较大的发电机或集成式起动机/发电机，瞬变和浪涌能量的增加也比负载突降条件下的传统汽车更多，负载突降保护对汽车安全更加重要，而Vishay半导体元件可以为这个新的趋势提供方便、简单、具有成本效益和高可靠性的解决方案。
作者简历
Soo Man（Sweetman）Kim曾在韩国的YoungNam大学学习电子工程，自从1987以来担任Vishay通用半导体的现场应用工程师，负责整流器和TVS的产品市场应用。
在负载突降条件下，用户需要抑制35 V的浪涌电压，浪涌抑制器将处理比同样条件下的目前传统发电机更大的电流。图C-2显示了Vishay通用半导体各种条件下负载突降系列的最大能力。
SM8S22A可以利用87 V Us条件下的0.5 Ω Ri，65 V Us条件下的0.3 Ω，将汽车电子设备的普通DC-DC转换器IC或线性稳压器箝位电压抑制在37 V以下，以用于引擎ECU、雨刷控制器、ABS、安全气囊，仪表板，雨刷控制器等等。Vishay负载突降系列的这种大功率能力可以成本有效地用于大型发电机的安全运行。请参阅文件I）负载突降测试规范和结果，II）两组Vishay负载突降TVS章节了解更多细节信息。
用于中型混合动力汽车的42 V ISG（ISA）
负载突降保护
在长期无视和仍在争论汽车采用42 V左右的系统的运行安全和稳定性的时候，最近一些中型混合动力汽车使用了42 V电源总线和发电机。42 V电源系统的基本概念是实现比12 V电源系统更高的功率效率和减轻汽车中电力线束的重量。这种新型42 V电源系统对半导体元件的影响在于比12 V系统需要高得多的绝缘强度。
Vishay的负载突降系列为以具有成本效益的方式抑制包括负载突降瞬变在内的瞬变和浪涌做好了准备。
图C-4所示为DIN和ISO标准提出的规定的电压水平。
图C-4考虑到了汽车电子中半导体的最大输入电压的约定是75 V的需求，某些Vishay负载突降系列可以满足42 V电源系统的要求。
为了满足75 V的最大齐纳箝位电压，一至两个串联的Vishay负载突降器件可以根据线路电阻把负载突降电压抑制在这个电压。峰值负载突降电压是由重载卡车应用的27 V系统演变而来的。ISO7637-2规定的42 V发电机的线路电阻是70 A 3.1 Ω，110 A输出型则为2 Ω。单个SM8S43A或SM8S36A可以将3 Ω线路电阻条件下的174 V的负载突降电压抑制到55至60 V，而不出现故障。对于高输出的42 V发电机来说，在负载突降状态下内阻会降低而电流将增加，瞬态电压抑制器可以处理更大的电流。
图C-6是两个串联TVS的典型应用，图C-7是各种线路电阻和电压条件下两个串联的负载突降TVS的功率能力。
至少，两个串联的SM5S22A箝位负载突降电压输入为174 V，线路电阻为2 Ω，而SM6S22A或SM8S22A具有更低的箝位电压和更低的线路电阻。
负载突降测试的波形如图C-8所示，最大箝位电压为174 V，Ri=1.25 Ω时为6 V±1V，流经负载突降TVS的电流是95至100 A。这将使42 V电源网络（PowerNet）半导体电平的精度比75 V更低，汽车中每个电子单元的次级保护器件可在这个箝位电压与最大工作电压之间的范围进行箝制。
表A-3所示为Vishay的负载突降TVS在各种负载突降测试条件下的失败率。SM8S24A是ISO-7637-2 Pulse 5测试最大额定值条件下最强大的器件。
ISO-76372最大测试条件下的峰值电流可以由以下公式计算：
IPP =（Vin – Vc）/Ri =（110 – 35）/0.5 = 150 A
II）两组Vishay负载突降TVS
Vishay有两种类型的汽车电子初级保护负载突降TVS：EPI PARTVS和Non-EPI PARTVS。PAR TVS的产品组列在表A-4当中。
两组产品在反向偏压模式下的击穿工作特性类似。差异在于EPI-PAR TVS在正向模式下具有低VF的特性，而Non-EPI PAR TVS在相同条件下具有比较高的VF，如表A-5所示。这个特性对提供给电力线的反向电压非常重要。
大多数CMOS IC和LSI的反向电压能力都十分糟糕。在-1 V以下，MOSFET的栅极在反向电压方面也很薄弱。在反向电源输入模式下，电力线的电压与TVS正向压降（VF）相同。这种反向偏压模式会引起电路故障。对于这个问题，低正向压降EPI PAR TVS是一个很好的解决方案。
另一种防止电路受到反向电源输入影响的方法是在电力线上采用一个极性保护整流器，如图A-7所示。一个极性保护整流器应该有足够的正向电流额定值和正向浪涌，以及反向电压能力。Vishay拥有各种用于极性保护以及宽工作温度范围和卓越电气特性的标准整流器和肖特基整流器。备注：所有测试数据均为典型值，而且存在±5 %的容差。
III）汽车电力线的次级保护
汽车系统中保护电路的初级目标是高电位浪涌电压，但是箝位电压仍然很高，如表A-1和B-1所示。次级保护对24 V传动系统尤为重要，如在卡车和货车当中。其主要原因是汽车应用中大多数稳压器和DC-DC转换器IC的最大输入电压是45 V至60 V。
在24 V测试条件下，初级保护TVS的击穿电压如表B-1所示。这些将导致在稳压器、仪表总成集成电路和其他电子设备上出现高电压。
在电力线上增加电阻器R可以减少瞬态电流，有助于次级保护使用较小功率额定值的TVS。电子单元中微处理器和逻辑电路的电流要求是150 mA至300 mA，最小输出电压的12 V电池在–18℃条件下为7.2 V，而在相同条件下的24 V电池为14.4 V。
在上述条件下的24 V电池中，300 mA负载的电源电压在R = 20 Ω时为8.4 V；在最低电压为14.4 V的电池（–18℃时的24 V电池电压）条件下，R = 10 Ω时为11.4 V。
备注：所有测试数据均为典型值，而且存在±5 %的容差。
图B-2：JASO D-1测试的箝位电压和电流波形
采用了20 Ω电阻器的TPSMC36A
- Vc = 37.8 V
- Ipp = 0.7 A
IV）大型发电机和中型混合动力汽车的负载突降保护
一些发电机制造商发布了新一代汽车的大型发电机和集成式起动机/发电机（皮带传动发电机（belt alternator）系统或起动-停止系统）。目前的传统发电机的输出是14 V，功率为60至120 A，而应用于汽车的采用改进技术的大功率大型发电机为14 V，220至300 A，这种汽车配备了电动助力便利系统，如电子制动系统、电动助力转向、信息、娱乐、驾驶辅助和其他功能。
用于中型混合动力系统的ISG（集成式起动机/发电机），轻型汽车为14 V，120 A，而在制动和停车期间没有燃料喷射时，空转引擎为42 V，60至80 A输出。