| 1．汽車(chē)電氣系統(tǒng)簡(jiǎn)述
近年來(lái)，隨著汽車(chē)功能的不斷增加和系統(tǒng)可靠性要求的不斷提高，越來(lái)越多的電子控制單元（ECU）被引入到汽車(chē)設(shè)計(jì)中，汽車(chē)中的電氣系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，已經(jīng)成為汽車(chē)系統(tǒng)總成的核心。通常，汽車(chē)的電氣系統(tǒng)分為供電系統(tǒng)和用電設(shè)備兩部分。供電系統(tǒng)是指給用電設(shè)備產(chǎn)生、分配和傳遞電能裝置的總稱(chēng)，它包括發(fā)電機(jī)、蓄電池、電線束、開(kāi)關(guān)及繼電器等，具有低壓和直流的特點(diǎn)。汽車(chē)用電設(shè)備是指汽車(chē)電氣系統(tǒng)中需要電源供給的設(shè)備，如：起動(dòng)機(jī)、空調(diào)，音響，車(chē)燈，ABS 等等，其所需的電能由兩個(gè)電源供給，即：發(fā)電機(jī)和蓄電池。其具有單線制供電特點(diǎn)，即：所有用電設(shè)備均并聯(lián)。蓄電池和發(fā)電機(jī)的電源正極和各用電設(shè)備只用一根導(dǎo)線相連，而電源的負(fù)極搭接到汽車(chē)底盤(pán)上，俗稱(chēng)負(fù)極搭鐵，利用發(fā)動(dòng)機(jī)體、汽車(chē)車(chē)架和車(chē)身等金屬機(jī)體作為一公共電流回路。下圖為一汽車(chē)的電氣系統(tǒng)概要框圖（見(jiàn)圖1）。
圖1
汽車(chē)內(nèi)的供電是低壓電路的供壓，屬于安全電壓范圍，其額定電壓有6V、12V、24V 三種。目前汽油車(chē)普遍采用12V 電源，而柴油汽車(chē)則多采用24V 電源。汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火系和起動(dòng)系統(tǒng)均由蓄電池供電，蓄電池為直流電源，因此，向蓄電池充電也必須采用直流電方式。汽車(chē)?yán)锿ǔ２捎玫墓枵鹘涣靼l(fā)電機(jī)其本質(zhì)是一臺(tái)三相同步交流發(fā)電機(jī)，通過(guò)硅二極管整流后提供直流充電電流。
發(fā)電機(jī)是由汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)拖動(dòng)而工作的，在汽車(chē)正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)在汽車(chē)上是主要的供電電源，供給全車(chē)除起動(dòng)機(jī)外的一切電氣設(shè)備的電能，并將多余的電能向蓄電池充電，使蓄電池始終處于完好的荷電狀態(tài)。蓄電池是供電系統(tǒng)的輔助電源，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)處于起動(dòng)或低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，發(fā)電機(jī)不能發(fā)電或發(fā)出的電壓很低，此時(shí)點(diǎn)火系及其它用電設(shè)備所需的電能則完全由蓄電池供給。同時(shí)，當(dāng)用電設(shè)備所需的功率超過(guò)發(fā)電機(jī)所輸出的功率時(shí)，蓄電池與發(fā)電機(jī)共同向用電設(shè)備供電。
在發(fā)電機(jī)供電的情況下，電源系統(tǒng)中有很高的脈沖電流，隨著不同用電設(shè)備的啟用或關(guān)閉，在各個(gè)負(fù)載中的脈沖電流也相應(yīng)變化。因此，對(duì)供電系統(tǒng)的要求是：在車(chē)輛各種使用工況條件下，均能可靠地保證向用電設(shè)備供電；各零部件必須符合汽車(chē)電氣設(shè)備基本技術(shù)條件及其專(zhuān)門(mén)技術(shù)條件的要求。
2．直流電源濾波器的設(shè)計(jì)原則
越來(lái)越多的電子控制、通訊，導(dǎo)航，監(jiān)控和顯示等各種功能的電子化裝置應(yīng)用到汽車(chē)設(shè)計(jì)中。因此，必須考慮這些電子裝置工作時(shí)所處的電氣和電磁環(huán)境，它可能對(duì)周?chē)碾娮釉O(shè)備造成危害，同時(shí)也受到車(chē)載其他電氣設(shè)備產(chǎn)生的電磁干擾，可能導(dǎo)致電子裝置的功能降低、短暫故障甚至永久損壞。這些電磁干擾往往來(lái)自于點(diǎn)火系統(tǒng)、發(fā)電機(jī)及整流器系、電機(jī)以及執(zhí)行器等供電系統(tǒng)，而且電磁干擾的頻帶很寬，且通過(guò)傳導(dǎo)、耦合或輻射的方式，傳播到車(chē)載電子部件或系統(tǒng)中，影響其正常運(yùn)行。鑒于此，ISO 7637－2 中規(guī)定了沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)的干擾脈沖的抗擾性失效模式、嚴(yán)重程度和測(cè)量，適用于各種動(dòng)力系統(tǒng)的道路車(chē)輛，例如：火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等。為了確保用電設(shè)備正常工作，免受來(lái)自電源線上的電瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾脈沖，直流電源濾波器的設(shè)計(jì)成為汽車(chē)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)。
從廣義范圍上來(lái)看，電源濾波器所起的作用相當(dāng)于是一個(gè)由電感、電容組成的無(wú)源低通濾波器，它能夠?qū)⑵?chē)供電系統(tǒng)中的瞬態(tài)干擾信號(hào)大幅度衰減或完全濾除，并能阻止汽車(chē)用電設(shè)備（如汽車(chē)音響等）內(nèi)部電路設(shè)計(jì)中產(chǎn)生的干擾噪聲通過(guò)電源線反串入汽車(chē)供電系統(tǒng)中，污染其他的用電設(shè)備的電源供電環(huán)境。
就直流電源濾波器的形式而言，其主要有四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，見(jiàn)下圖2。
圖2
一般來(lái)說(shuō),π 形結(jié)構(gòu)可以提供低的輸入輸出阻抗,適于所在電路源阻抗和負(fù)載阻抗高的場(chǎng)合;T 形結(jié)構(gòu)可以提供高的輸入輸出阻抗,適用于電源源阻抗和負(fù)載阻抗低的場(chǎng)合；L 形結(jié)構(gòu)可以提供高輸入阻抗和低輸出阻抗(或者相反),適于所在電路低源阻抗和高負(fù)載阻抗(或者相反)場(chǎng)合。不管選用哪一種形式的濾波網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，都要注意以下設(shè)計(jì)原則：
1) 雙向?yàn)V波功能：供電系統(tǒng)對(duì)汽車(chē)音響提供電流、電源濾波器對(duì)來(lái)自供電系統(tǒng)的瞬態(tài)脈沖起到濾波作用，同時(shí)，汽車(chē)音響內(nèi)部的各種高頻脈沖信號(hào)或數(shù)字信號(hào)因?yàn)殡娫礊V波器的存在，對(duì)汽車(chē)供電系統(tǒng)的傳導(dǎo)發(fā)射干擾程度大大降低。
2) 能有效地抑制差模干擾和共模干擾：在汽車(chē)音響直流電源設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)考慮差模干擾的抑制性能。
3) 最大程度地滿足阻抗失配設(shè)計(jì)原則。
對(duì)于瞬態(tài)干擾信號(hào)，插入損耗要盡可能增大，即盡可能增大信號(hào)的反射。根據(jù)信號(hào)傳輸理論，當(dāng)電源的輸出阻抗ZO≠濾波器的輸人阻抗ZI 時(shí)，在電源濾波器的輸入端口就會(huì)發(fā)生反射，反射系數(shù) p＝(ZO－ZI)/(ZO＋ZI)。
顯然，ZO 與ZI 相差越大，p 便越大，端口產(chǎn)生的反射越大，瞬態(tài)干擾信號(hào)就越難通過(guò)。所以，直流電源濾波器輸入端口應(yīng)與汽車(chē)供電系統(tǒng)的輸出端口處于失配狀態(tài)，使瞬態(tài)干擾信號(hào)產(chǎn)生反射，有效抑制瞬態(tài)干擾信號(hào)進(jìn)入汽車(chē)音響電路。同理，濾波器輸出端口應(yīng)與負(fù)載處于失配狀態(tài)，使汽車(chē)音響內(nèi)部產(chǎn)生的CE 輻射信號(hào)產(chǎn)生反射，降低對(duì)外圍用電設(shè)備的干擾。因此，電源濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則：
a) 源內(nèi)阻是高阻的，則濾波器輸人阻抗就應(yīng)該是低阻的，反之亦然。
b) 負(fù)載是高阻的，則濾波器輸出阻抗就應(yīng)該是低阻的，反之亦然。
根據(jù)ISO 16750-2 和ISO 7637-2 中對(duì)連續(xù)電源的內(nèi)阻Ri 的要求（見(jiàn)表1）：其應(yīng)小于直流0.01Ω。對(duì)于低于400Hz 的頻率而言，連續(xù)電源內(nèi)部阻抗應(yīng)為Zi=Ri， 對(duì)于不同的瞬態(tài)脈沖，Ri 是不同的,參見(jiàn)下表中12V 和24V 供電系統(tǒng)的Ri。輸出電壓在0Ω負(fù)載到最大負(fù)載（包括竄入電流）之間的變化不應(yīng)超過(guò)1V，它應(yīng)在100us 的時(shí)間內(nèi)恢復(fù)其最大幅度的63%。疊加脈動(dòng)電壓Ur 的峰值間應(yīng)不超過(guò)0.2V，最低頻率應(yīng)為400Hz。
對(duì)于供電系統(tǒng)中的瞬態(tài)干擾信號(hào)，電感是高阻的，電容是低阻的，所以，電源濾波器與源或負(fù)載的端接應(yīng)遵循下列原則：
a) 如果電源內(nèi)阻或負(fù)載是阻性或感性的，與之端接的濾波器接口就應(yīng)該是容性的。
b) 如果電源內(nèi)阻或負(fù)載是容性的，與之端接的濾波器接口就應(yīng)該是感性的。
3．汽車(chē)音響直流電源濾波器的設(shè)計(jì)
通過(guò)采用阻抗失配原則選定了電源濾波器的結(jié)構(gòu)，基本上已經(jīng)決定了電源濾波器的效率。濾波網(wǎng)絡(luò)兩端的阻抗差異越大，濾波器的效率越高，濾波效果也就越好。此外，濾波器的插入損耗，即插入電源噪聲濾波器后噪聲干擾的衰減程度，這也是在實(shí)際設(shè)計(jì)和使用電源噪聲濾波器中最需要考慮的因素之一。一般可以用電壓幅值的比值來(lái)計(jì)算表示插入損耗，其值越大，表示濾波器抑制噪聲干擾的能力越強(qiáng)。
圖3
就汽車(chē)音響?yīng)毩�(gè)體而言， 汽車(chē)音響直流電源濾波器為差模噪音信號(hào)濾波器，采用濾波扼流圈和濾波電容組成的差模干擾濾除回路。由于差模電容的作用，差模干擾電流將通過(guò)電容流回電源線而不流入汽車(chē)音響中。但從系統(tǒng)而言，電源導(dǎo)線、汽車(chē)音響和地平面（汽車(chē)底盤(pán)）構(gòu)成了共模噪音信號(hào)返回路徑，如圖3 所示：為了降低系統(tǒng)的傳導(dǎo)發(fā)射性能，要求汽車(chē)音響的外殼要有一個(gè)良好的接地位置，降低共模電流或消除共模電流的存在。在CISPR25 的6.1.2 中規(guī)定,如果EUT 的電源返回路徑超過(guò)200mm，就將作為遠(yuǎn)端接地處理，如果EUT 的電源返回路徑小于等于200mm，就作為近端接地，可以忽略共模電流的影響，降低共模電流引發(fā)的傳導(dǎo)發(fā)射危害性，這就是為什么在汽車(chē)音響設(shè)計(jì)中盡可能的確保外殼與整車(chē)的底盤(pán)有良好的搭接。見(jiàn)下圖4 是汽車(chē)音響電路中常見(jiàn)的直流電源濾波器電路圖。
圖4
差模電容使用的類(lèi)型是陶瓷電容，考慮到其實(shí)際電壓值是額定交流電壓和電磁干擾峰值電壓的疊加值，因此要求差模電容要有足夠高的耐壓值，一般不低于50VDC。電容容量值可按照所抑制的噪聲電壓頻率下限值來(lái)確定，其值越大，濾波器的插入損耗也就越大。
差模扼流圈通常使用金屬粉壓磁芯（Iron Power Core），因?yàn)槠涑跏即艑?dǎo)率受頻率影響小，高頻工作下?lián)p耗大，直流重疊特性好，大電流應(yīng)用時(shí)電感量也不會(huì)大幅度下降，且適用頻率范圍較低。依流過(guò)電感的電流值不同，設(shè)計(jì)中的電感值可以取為幾mH～幾十uH。
下圖為三種不同的磁芯，其電感量隨電流的變化的曲線。從圖5 中可以看出：在設(shè)計(jì)汽車(chē)音響直流電源濾波器時(shí)，要根據(jù)工作電流的范圍來(lái)選擇合適的扼流圈。當(dāng)汽車(chē)音響的正常工作電流大于3A 時(shí)，若選擇圖中POT 磁芯的扼流圈，電感量急劇降低，根本起不到濾波器的效果。
圖5
針對(duì)汽車(chē)供電系統(tǒng)中的瞬態(tài)脈沖噪音，一般集中在音頻范圍內(nèi)（20Hz 至20KHz），因此，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和PCB Layout 中如何抑制音頻噪音干擾（AFI = Audio Frequency Interference）成為汽車(chē)音響設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要性能評(píng)估指標(biāo)。理論上,電源濾波器的電感和電容的參數(shù)選的越大，濾波效果越好。但在實(shí)際應(yīng)用中，容量大的電容一般寄生電感也大，自諧振頻率低，對(duì)高頻噪聲的去耦效果差，而電感值越大電感的體積也越大，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)權(quán)衡各種因素的影響，確定合適的參數(shù)。在實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，除了考慮來(lái)自汽車(chē)供電系統(tǒng)瞬態(tài)噪音的抑制，還要考慮高電壓（Over Voltage）、大電流(Over Current)，反向電壓(Reverse Voltage)等各種使用條件的分析和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。
4．Over Voltage 和Over Current 設(shè)計(jì)的考慮
在汽車(chē)音響電源濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要考慮各種不同汽車(chē)電氣系統(tǒng)瞬態(tài)噪音或脈沖的抑制作用，同時(shí)，還要加強(qiáng)Over Voltage、Over Current和Reverse Voltage等使用情況的發(fā)生。在GMW3172 － Feb.2007 ：5.2.4 、VW 801 01-2005-06：3.10和3.11、ISO 16750-2：4.2中規(guī)定了過(guò)壓（Over Voltage）測(cè)試的內(nèi)容，在 GMW3172－Feb.2007 ：5.2.7、VW 801 01-2005-06：3.12和ISO 16750-2：4.3中規(guī)定了Superimposed Alternating Voltage的測(cè)試要求。由于普通電源噪聲濾波器對(duì)浪涌電壓的抑制能力較差，特別是當(dāng)浪涌電壓上升緩慢且寬度較大時(shí)，容易出現(xiàn)阻抗不匹配，使電感線圈達(dá)到磁飽和，所以在電源噪聲濾波器輸入端通常增加了一個(gè)壓敏電阻或半導(dǎo)體浪涌電壓抑制管抑制浪涌電壓，保護(hù)汽車(chē)音響內(nèi)部電路的正常運(yùn)行。下面，針對(duì)12V汽車(chē)供電系統(tǒng)的電源濾波器電路進(jìn)行參數(shù)確定，見(jiàn)圖6。
圖6
針對(duì)該電源濾波器，在Saber 中進(jìn)行濾波效果仿真，見(jiàn)下圖7：以此為依據(jù)，進(jìn)行其他參數(shù)設(shè)計(jì)分析。
圖7
a) C9 電容的取值
在允許的情況下，該電容的容量要求越大越好，其值很難確切地估算出來(lái)。一般情況下，要求取值在l500－3300uf 之間。電容的耐壓值必須經(jīng)過(guò)雷擊浪涌后取值，有殘壓，其瞬時(shí)值一般在50V／s 時(shí)不損壞，按二級(jí)降額的原則選取，取值在25 V，頻率特性與電容的取值有關(guān)。電容容值越大，低頻濾波特性越好；電解電容的ESR 越小，低頻阻抗越低。仿真結(jié)果見(jiàn)圖8a 和8b。
圖8
b）C1 - C8 電容的取值
在允許的情況下，電容容量的覆蓋范圍越廣越好，這樣，對(duì)于高頻的瞬態(tài)干擾脈沖噪音就能夠很好的抑制。一般情況下，要求取值在20pf－0.1uf 范圍。電容耐壓值必須能夠承受雷擊浪涌后取值，有殘壓，其瞬時(shí)值一般在100V／S 時(shí)不損壞，按二級(jí)降額的原則選取，取值50 V，頻率特性與電容的取值有關(guān)，電容值越小，高頻特性越好。圖9 為3 種電容實(shí)際阻抗隨頻率(100KHz 到500MHz)變換的特征曲線。圖10 為電容理想模型阻抗隨頻率的關(guān)系曲線。因此，C1－C9 電容一般都是通過(guò)電容并聯(lián)來(lái)滿足瞬態(tài)干擾脈沖噪音全頻范圍內(nèi)的抑制作用。仿真結(jié)果見(jiàn)圖11a 和11b。
圖9
圖10
圖11
c) 電感的取值
電感性能的好壞取決于磁芯材料特性，應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面：
第一，磁芯材料的頻率范圍要寬，要保證最高頻率在100MHz，即在很寬的頻率范圍內(nèi)有比較穩(wěn)定的磁導(dǎo)率。
第二，磁導(dǎo)率高，但是在實(shí)際中很難滿足這一要求，所以，磁導(dǎo)率往往是分段考慮的。磁芯材料一般是鐵氧體。
第三，電感量的估算——考慮阻抗隨頻率變換的特征曲線。共模扼流圈取值 1.5－5mH，差模扼流圈取值為 40－100uH;圖12 為理想電感阻抗隨頻率變換的曲線。
圖12
d)壓敏電阻的確定
壓敏電阻是電壓敏感器件，當(dāng)加大壓敏電阻兩端的電壓低于額定電壓時(shí)，它的阻抗幾乎是無(wú)窮大，而超過(guò)額定值后，電阻值急劇下降，反應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)。壓敏電阻是根據(jù)工作電壓來(lái)選擇標(biāo)稱(chēng)電壓值，一般可按使用電壓的1.8 – 2.0 倍關(guān)系來(lái)確定標(biāo)稱(chēng)電壓。比如：汽車(chē)音響正常電源電壓范圍在9V 至16V，則壓敏電阻的標(biāo)稱(chēng)電壓為 2x16V=32V。
e) TVS 參數(shù)的確定，在后面進(jìn)行介紹。
5. 瞬態(tài)傳導(dǎo)干擾的設(shè)計(jì)考慮
在ISO 7637－2:2004、GMW3100-08.2001:3.2.1.3等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了沿電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)的干擾脈沖的抗擾性失效模式、嚴(yán)重程度和測(cè)量，提供了5 種典型脈沖波形，雖然沒(méi)有涵蓋所有可能出現(xiàn)在車(chē)輛上的各種瞬態(tài)脈沖，但適用于各種動(dòng)力系統(tǒng)的道路車(chē)輛，例如：火花點(diǎn)火發(fā)動(dòng)機(jī)、壓燃式發(fā)動(dòng)機(jī)、電動(dòng)機(jī)、混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。針對(duì)這5種典型的瞬態(tài)傳導(dǎo)脈沖，在Saber仿真環(huán)境中進(jìn)行該電源濾波器電路（圖13）的仿真如下：
圖13
1）脈沖1 是模擬電源與感性負(fù)載斷開(kāi)連接時(shí)所產(chǎn)生的瞬態(tài)現(xiàn)象。它影響與感性負(fù)載并聯(lián)的用電裝置，適用于各種DUT 與感性負(fù)載保持直接并聯(lián)的情況。仿真結(jié)果見(jiàn)圖14。
圖14
2) 脈沖2a 模擬由于線束電感的原因，使與DUT并聯(lián)的裝置內(nèi)電流突然中斷引起的瞬態(tài)現(xiàn)象；脈沖2b 模擬直流電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，在點(diǎn)火開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)的瞬態(tài)現(xiàn)象。仿真結(jié)果見(jiàn)圖15a和15b。
圖15a
圖15b
3) 試驗(yàn)脈沖3 模擬由開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的瞬態(tài)現(xiàn)象，這些脈沖的特性受線束的分布電容和分布電感的影響。仿真結(jié)果見(jiàn)圖16a和16b。
圖16a
圖16b
4) 試驗(yàn)脈沖4 模擬內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)電機(jī)電路通電時(shí)產(chǎn)生的供電系統(tǒng)電源電壓的降低，不包括起動(dòng)時(shí)的尖峰電壓。仿真結(jié)果見(jiàn)圖17。
圖17
5）試驗(yàn)脈沖5 是模擬拋負(fù)載瞬態(tài)現(xiàn)象，即模擬在斷開(kāi)電池（虧電狀態(tài)）的同時(shí)，交流發(fā)電機(jī)正在產(chǎn)生充電電流，而發(fā)電機(jī)電路上仍有其它負(fù)載時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)，拋負(fù)載的幅度取決于斷開(kāi)電池連接時(shí)，發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁場(chǎng)強(qiáng)的大小，拋負(fù)載脈沖寬度主要取決于勵(lì)磁電路的時(shí)間常數(shù)和脈沖幅度。產(chǎn)生拋負(fù)載的可能原因是電纜腐蝕、接觸不良或發(fā)動(dòng)機(jī)正在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，有意斷開(kāi)與電池的連接。大多數(shù)新型交流發(fā)電機(jī)內(nèi)部，由于增加限幅二極管而抑制了拋負(fù)載幅度。具有非集中拋負(fù)載抑制的交流發(fā)電機(jī)的脈沖波形（脈沖5a）及仿真結(jié)果見(jiàn)圖18a，具有集中拋負(fù)載抑制的交流發(fā)電機(jī)的脈沖波形（脈沖5b）及仿真結(jié)果見(jiàn)圖18b。
圖18a
圖18b
在汽車(chē)音響產(chǎn)品設(shè)計(jì)滿足Over Voltage、反向電壓測(cè)試和進(jìn)行Pulse 5 拋負(fù)載瞬態(tài)脈沖設(shè)計(jì)考慮中，TVS 二極管在整個(gè)電源濾波器中扮演著重要角色，如何選擇適合的TVS（硅瞬態(tài)電壓吸收二極管 Silicon Transient Voltage Suppressor）是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。下面，針對(duì)TVS 二極管進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，建立TVS 在Pulse 5 雙指數(shù)脈沖波形能量累積的MathCAD模型并進(jìn)行仿真分析。
TVS 二極管是十分有效的瞬態(tài)干擾抑制器件，當(dāng)其兩極受到反向瞬態(tài)高能量沖擊時(shí)，它能以10 – 12 ns 量級(jí)的速度，將兩極間的高阻抗變?yōu)榈妥杩�，吸收高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率，使兩極間的電壓箝位于一個(gè)預(yù)定值（一般小于2 倍額定工作電壓），有效地保護(hù)電子電路中的精密元器件免受各種浪涌脈沖的破壞。
TVS 對(duì)浪涌功率和浪涌電流的吸收能力取決于PN 結(jié)的面積，峰值脈沖功率（Pp）的吸收能力可以達(dá)到數(shù)千瓦。早期的器件用10/1000us 波形來(lái)考核，現(xiàn)在通常采用8/20us 的波形進(jìn)行定義。TVS 的吸收峰值脈沖功率（Pp）是由TVS 上的箝位電壓和流過(guò)TVS 的沖擊電流的峰值乘積來(lái)確定的。要注意的是：TVS 的最大箝位電壓與TVS 的擊穿電壓（轉(zhuǎn)折電壓）不是一回事，最大箝位電壓大約是擊穿電壓的1.4 – 1.5 倍，這也表明TVS 有一定的動(dòng)態(tài)電阻。
實(shí)際的TVS 瞬變干擾限定電壓可以用下式表達(dá)：
Uo = (IP/IPP)(UCMAX – UBR) + UBR
式中： IP 是實(shí)際的脈沖電流值
IPP是額定的最大脈沖電流
UCMAX 是產(chǎn)品規(guī)定的最大箝位電壓
UBR 是擊穿電壓
圖19 至圖22 為T(mén)PSMC36A TVS 的技術(shù)指標(biāo)，了解每個(gè)波形的含義，有助于進(jìn)行TVS 的MathCAD 模型仿真分析。
在ISO7637－2：2004附錄E（脈沖發(fā)生器能量容量的確定）中，介紹了計(jì)算由脈沖發(fā)生器傳遞到匹配電阻（電阻性負(fù)載RL）上的脈沖能量的數(shù)學(xué)模型， 如下圖23：
圖E.2——由瞬態(tài)發(fā)生器產(chǎn)生的雙指數(shù)脈沖波形
圖23
上式中：
UO —— 開(kāi)路輸出電壓
Ri —— 脈沖發(fā)生器的電源內(nèi)阻
RL —— 脈沖發(fā)生器的負(fù)載電阻
Td —— 0.1Us 至0.1Us 的脈沖寬度
I (t) —— 電流波形函數(shù)
U (t) —— 電壓波形函數(shù)
We —— 單脈沖的能量容量
基于上述雙指數(shù)脈沖波形能量計(jì)算數(shù)學(xué)模型，在MathCAD 中進(jìn)行仿真，可以得到TVSTPSMC36A 拋負(fù)載測(cè)試（Pulse 5）的浪涌功率吸收的仿真結(jié)果，見(jiàn)圖24。它能滿足GMW3100 中Pulse 5B（Vs + Vr = 46V）的設(shè)計(jì)要求，但達(dá)不到ISO7637-2 中Pulse 5A（Vs + Vr = 100V）的設(shè)計(jì)要求。
圖24
如果產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求一定通過(guò)Pulse5 脈沖，可以更換大功率的TVS 二極管或者將兩個(gè)或多個(gè)TVS 串/并聯(lián)起來(lái)解決高電壓和大功率的要求。將TVS 串聯(lián)可以獲得更高的限定電壓值，只是等效TVS 的最大吸收電流取決于串連TVS 中Ip 最低的一個(gè)值。將TVS 并聯(lián)可以獲得更高的限定電流值，只是等效TVS 的最大脈沖電壓取決于并聯(lián)TVS 中VRSM 最低的一個(gè)值。將圖25 中的D1 換成同系列的TPSMC20A TVS 管，分別采用4 個(gè)和5 個(gè)并聯(lián)使用，均能夠滿足Pulse 5a 的要求，參見(jiàn)Saber 和MathCAD 的仿真結(jié)果，見(jiàn)圖26。從圖26 中可以發(fā)現(xiàn)：4 個(gè)TVS 并聯(lián)處于設(shè)計(jì)邊緣，風(fēng)險(xiǎn)比較高，5 個(gè)并聯(lián)則有設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)低。采用4 或5 個(gè)TVS 管，在PCB Layout 中占有的空間比較大，若空間有限，可以選用單個(gè)TVS 具有高功率的器件來(lái)滿足設(shè)計(jì)要求。
圖25
圖26a
6 總結(jié)
1）汽車(chē)的電氣系統(tǒng)分為供電系統(tǒng)和用電設(shè)備兩部分，具有低壓、直流和單線制供電特點(diǎn)；
2）汽車(chē)電源系統(tǒng)中產(chǎn)生各種各樣的瞬態(tài)脈沖電流，它是汽車(chē)用電設(shè)備的傳導(dǎo)噪音源；
3）直流電源濾波器主要有π 形、T 形和L 形等四種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，不管采用哪一種網(wǎng)絡(luò)形式，都要最大程度地滿足阻抗失配設(shè)計(jì)原則；
4）汽車(chē)供電系統(tǒng)中的瞬態(tài)脈沖噪音，一般集中在音頻范圍內(nèi)（20Hz 至20KHz），在汽車(chē)音響直流濾波器設(shè)計(jì)中要重點(diǎn)評(píng)估扼流圈和電容等器件的選擇是否有效地抑制音頻噪音干擾（AFI = Audio Frequency Interference）；
5）Over Voltage、Over Current、Reverse Voltage 和ISO7637－2 中的各種瞬態(tài)脈沖等都是汽車(chē)音響直流濾波器設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要考慮參數(shù)；
6）TVS 二極管在整個(gè)直流電源濾波器中扮演著重要角色，如何選擇適合的TVS 是解決汽車(chē)音響能否通過(guò)Over Voltage、反向電壓測(cè)試和Pulse 5 拋負(fù)載瞬態(tài)脈沖測(cè)試的關(guān)鍵；
7）Saber 和MathCAD 是進(jìn)行電源濾波器設(shè)計(jì)電路仿真的有效快捷工具。 |
