解析汽車拋負(fù)載Load Dump：load dump產(chǎn)生原因與TVS并聯(lián)保護(hù)方案

讓我們聊聊Load Dump

在汽車電子中，load dump指的是低壓電池在充電時(shí)與車輛的發(fā)電機(jī)突然斷開連接。由于電池的突然斷開，其余被接在發(fā)電機(jī)總線上的負(fù)載會(huì)承受非常大的浪涌電壓。這個(gè)浪涌電壓的峰值可能高達(dá)120V并且持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)400ms才會(huì)衰減，這會(huì)對(duì)車載的低壓用電設(shè)備造成成噸的傷害。所以通常12V的系統(tǒng)需要鉗位到40V；24V的系統(tǒng)需要鉗位到60V，以保證其安全和可靠。

下面兩個(gè)圖示大概說(shuō)明了一下load dump產(chǎn)生的原因。

為什么電池突然斷開會(huì)產(chǎn)生load dump？原理是什么？

發(fā)電機(jī)有非常大的電感量，電池又是很大的負(fù)載。所以當(dāng)電池突然斷開時(shí)，對(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)相當(dāng)于電感上的電流發(fā)生了突變。根據(jù)楞次定律，此時(shí)電感會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反向的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E來(lái)阻止電流突變，這就是你看到的load dump波形。

OK，知道什么是load dump，讓我們?cè)賮?lái)看一下相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。

1. 初始標(biāo)準(zhǔn)是ISO7637-2。在2010年時(shí)，用ISO16750-2替代了ISO7637-2，所以目前的load dump以ISO16750-2為標(biāo)準(zhǔn)。

2. 標(biāo)準(zhǔn)里定義了幾種脈沖電壓的波形，pulse 1,2a,2b,3a,3b,5a,5b，其中5a才是我們所說(shuō)的load dump波形。

下面給出兩種標(biāo)準(zhǔn)的波形和參數(shù)，可以對(duì)比一下兩者之間的區(qū)別：

主要區(qū)別是以下三點(diǎn)：

ISO16750-2的測(cè)試次數(shù)是10次（間隔時(shí)間1分鐘）；ISO7637-2的測(cè)試次數(shù)是1次；

ISO16750-2的峰值電壓Us要高于ISO-7637-2；

ISO16750-2的US*電壓又明確定義；ISO7637-2的US*電壓允許用戶自定（這點(diǎn)和5b有關(guān)，這里先不做討論）。

基于以上三點(diǎn)，我們可以看出新的ISO16750-2要比之前的ISO7637-2更為嚴(yán)格。

OK，了解了測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)后，那我們就需要選擇一顆合適的TVS來(lái)做保護(hù)了，跟著我來(lái)一步步計(jì)算下吧！

首先，選這顆TVS有兩個(gè)目標(biāo)是一定需要滿足的：

1. TVS鉗位電壓需要小于后級(jí)元器件的最大耐壓，在12V系統(tǒng)中后級(jí)元器件的最大耐壓一般為40V，考慮一些余量，TVS鉗位電壓為35V比較合適。（24V系統(tǒng)的TVS鉗位電壓為65V比較合適）；

2. TVS需要能吸收l(shuí)oad dump的能量并且不被損壞。

這里我們計(jì)算12V系統(tǒng)worst case時(shí)候的load dump來(lái)作為例子，參考ISO16750-2的標(biāo)準(zhǔn)。

列出以下的已知條件：

Vp(max)=101V;

Ri(min)=0.5ohm;

td(max)=400ms;

Vclamp=35V

1. 計(jì)算TVS承受的瞬時(shí)峰值功率Ppp

Ipeak=(Vp-Vclamp)/Ri=(101-35)/0.5=132A

Ppp=Ipeak x Vclamp=132x35=4.62kW

2. 計(jì)算峰值功率Ppp的持續(xù)時(shí)間T_conduct

解釋一下下面的圖，上圖是load dump的波形，下圖是TVS吸收的電流。在load dump的電壓＞Vclamp時(shí)，會(huì)有電流流過(guò)TVS，意味著TVS吸收了load dump的能量，所以要計(jì)算的就是這部分的時(shí)間T_conduct。（為了簡(jiǎn)化計(jì)算，波形都近似成三角形）

slop of load dump=Vp/td=101/400=0.2525

T_conduct=(Vp-Vclamp)/slop=(101-35)/0.2525=261ms

3.最終結(jié)果

Ppp = 4.62kW @ T_conduct=261ms

Ppp = 4.62kW @ (?)T_conduct = 130.5ms（為了和TVS的規(guī)格書做比較，需要換算成1/2 T_conduct）

OK，計(jì)算結(jié)果有了，讓我們來(lái)找一份TVS的規(guī)格書看一下。

下圖是Littlefuse SLD8S系列的規(guī)格書，該系列是專門針對(duì)load dump應(yīng)用而開發(fā)的TVS產(chǎn)品。

從下面這個(gè)圖中，我們可以得到該TVS的：

Ppp=2.2kW@td=130ms

顯然，單顆TVS是無(wú)法滿足要求的。考慮一些設(shè)計(jì)余量以及高溫derating的影響，這里我們需要選擇三顆TVS并聯(lián)的方案。

Ppp(3pcs in parallel)=3x2.2=6.6kW>Ppp(load dump)=4.62kW

TVS電壓的選擇，因?yàn)樾枰紤]jump start的要求，所以必須選擇24V以上的，一般30V或者33V的TVS是比較常見(jiàn)的選擇。

綜上所述三顆SLD8S30A或者SLD8S33A并聯(lián)是對(duì)策上述load dump測(cè)試較合適的選擇。

細(xì)心的同學(xué)可能已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了，上述兩顆TVS的Vclamp均大于40V(48.4V，53.3V)，但之前計(jì)算的時(shí)候不是說(shuō)過(guò)Vclamp<35V才能有效地保護(hù)后級(jí)40V耐壓的器件嗎？這樣選型是否會(huì)無(wú)法保護(hù)后級(jí)的器件？

這樣的擔(dān)心不無(wú)道理，不過(guò)TVS的Vclamp和Ipp是成正比的，也就是說(shuō)Ipp如果能減小的話Vclamp也是會(huì)減小的；三顆并聯(lián)的方案給Ppp留出了較大的余量，于此同時(shí)流過(guò)每顆TVS的Ipp也會(huì)相應(yīng)的小于規(guī)格書中的值，所以實(shí)際的Vclamp應(yīng)該會(huì)小于規(guī)格書中的標(biāo)稱值。大概的計(jì)算如下：

Ipeak = 132A,So each TVS/SLD8S30A = 132/3 = 44A

Rd of SLD8S30A=(Vclamp-Vbr)/Ipp=(48.4-35.05)/144=0.093ohm

Vclamp_actual=Ipp_actualxRd+Vbr=44x0.093+35.05=39.142V

可以看到在三顆TVS并聯(lián)的方案下，Vclamp=39V<40V可以滿足需求。當(dāng)然你也可以選擇更低電壓的TVS來(lái)進(jìn)一步降低Vclamp，比如SLD8S28A等等。當(dāng)然，這些都是論計(jì)算，需要通過(guò)實(shí)際的測(cè)試來(lái)做驗(yàn)證。

最后，聊一個(gè)小問(wèn)題，新能源汽車還需要考慮load dump嗎？請(qǐng)大家聊聊你的看法吧！