汽車電氣系統(tǒng)面臨的最嚴(yán)峻瞬態(tài)過壓挑戰(zhàn)之一便是拋負(fù)載（Load Dump）。本篇分析兩個核心的汽車拋負(fù)載測試標(biāo)準(zhǔn)——ISO 7637-2（脈沖5A 5B）與ISO 16750-2（替代了ISO 7637-2的脈沖5部分），詳盡對比其技術(shù)差異，特別是對保護(hù)器件耐受能力要求的不同。文章將系統(tǒng)闡述瞬態(tài)電壓抑制（TVS）二極管作為關(guān)鍵保護(hù)元件的技術(shù)原理、關(guān)鍵參數(shù)定義及其在滿足上述嚴(yán)苛標(biāo)準(zhǔn)中的選型準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)考量與實(shí)際應(yīng)用策略，為汽車電子工程師提供全面的防護(hù)設(shè)計(jì)參考。

1. 汽車拋負(fù)載現(xiàn)象機(jī)制與失效風(fēng)險分析

汽車抗擾測試中，最嚴(yán)酷的就是拋負(fù)載測試，在電磁兼容你EMC測試中是最重要也是最后測試的項(xiàng)目，包括油車和油電混合車，在典型的汽車電氣架構(gòu)中，鉛酸蓄電池與發(fā)電機(jī)并聯(lián)為整車電氣系統(tǒng)供電。當(dāng)發(fā)動機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，發(fā)電機(jī)處于充電狀態(tài)。若在此期間，由于線路松動、腐蝕或其他機(jī)械故障導(dǎo)致電池突然斷開（負(fù)載瞬間消失），發(fā)電機(jī)勵磁繞組（磁場繞組）中存儲的大量磁場能量（E = ?LI2，其中L為勵磁電感，I為勵磁電流）無法立即釋放，會在發(fā)電機(jī)輸出端（即車輛電源總線）產(chǎn)生一個極高幅值的電壓尖峰。此電壓尖峰：

高幅值：可達(dá)到數(shù)十甚至上百伏特，遠(yuǎn)超系統(tǒng)正常工作電壓（12V或24V系統(tǒng)）。

高能量：持續(xù)時間相對較長（通常為幾十毫秒至數(shù)百毫秒），攜帶巨大能量。

高破壞性：足以使下游ECU中的CMOS工藝微控制器（MCU）、數(shù)字邏輯芯片、模擬前端（AFE）、收發(fā)器（Transceiver）等敏感電子元件因過壓或過功耗而發(fā)生永久性損壞（硬擊穿或熱擊穿）。因此，有效的拋負(fù)載保護(hù)是確保汽車電子系統(tǒng)可靠性的基石。

2. 汽車拋負(fù)載防護(hù)的核心標(biāo)準(zhǔn)：

ISO 7637-2 vs.ISO 16750-2

為量化評估車輛電子設(shè)備對拋負(fù)載的抗擾度，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了專門的測試標(biāo)準(zhǔn)。

ISO 7637-2：這是較早期的汽車電磁兼容性（EMC）傳導(dǎo)騷擾抗擾度測試標(biāo)準(zhǔn)。其附錄D中定義了拋負(fù)載測試波形，主要包括脈沖5a（無內(nèi)置抑制的發(fā)電機(jī)）和脈沖5b（有內(nèi)置抑制的發(fā)電機(jī)）。該標(biāo)準(zhǔn)通常要求施加1次規(guī)定的脈沖進(jìn)行測試。

ISO 16750-2：這是更新的標(biāo)準(zhǔn)，屬于《道路車輛 電氣和電子設(shè)備的環(huán)境條件和試驗(yàn)》系列標(biāo)準(zhǔn)的一部分。它替代了ISO 7637-2中關(guān)于拋負(fù)載脈沖5的部分，提供了更精確、更嚴(yán)格的規(guī)范。關(guān)鍵改進(jìn)在于：

增加了脈沖次數(shù)：從ISO 7637-2的1次脈沖，提升至10次脈沖，且規(guī)定了1分鐘的間隔時間。這模擬了車輛在生命周期內(nèi)可能遇到的多次拋負(fù)載事件，對保護(hù)器件的累積能量耐受能力提出了更嚴(yán)峻的考驗(yàn)。

更新了測試電壓范圍：針對12V和24V系統(tǒng)，定義了比ISO 7637-2更高的US（測試電壓峰值）范圍，意味著保護(hù)電路需處理更高的能量。

細(xì)化了參數(shù)定義：對脈沖波形的參數(shù)（如Ri源阻抗、US限制電壓等）給出了更明確的規(guī)定。

3. ISO 16750-2與ISO 7637-2關(guān)鍵參數(shù)對比與影響分析

結(jié)論：ISO 16750-2 是一個更嚴(yán)格、更能反映真實(shí)應(yīng)用場景的測試標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)用于滿足該標(biāo)準(zhǔn)的保護(hù)電路，必然也能滿足（或超越）ISO 7637-2的要求。

4. 拋負(fù)載保護(hù)電路

設(shè)計(jì)拋負(fù)載保護(hù)電路，不單要考慮浪涌，還需要考慮防反接，過電流保護(hù)等，選型過程還需要充分考慮EMC測試的其他項(xiàng)目波形，包括EMS和EMI。大部分能力是需要選擇車用TVS來吸收能量。

TVS二極管技術(shù)原理與關(guān)鍵參數(shù)詳解

TVS（Transient Voltage Suppressor）二極管是一種基于PN結(jié)雪崩擊穿原理工作的半導(dǎo)體器件，專門用于吸收瞬態(tài)過電壓能量。

工作原理：

（1）待機(jī)狀態(tài)：當(dāng)施加在其兩端的電壓低于其反向截止電壓（VRWM或稱額定電壓）時，TVS表現(xiàn)為高阻態(tài)，僅有微小的漏電流流過，對電路幾乎無影響。

（2）擊穿/箝位狀態(tài)：當(dāng)瞬態(tài)過電壓超過其擊穿電壓（VBR）時，TVS迅速進(jìn)入雪崩擊穿區(qū)，阻抗急劇下降，呈低阻態(tài)。

（3）能量泄放：瞬態(tài)電流迅速增大，大部分瞬態(tài)能量通過TVS泄放至地回路。其兩端電壓被箝位在相對穩(wěn)定的箝位電壓（VC）附近。

（4）恢復(fù)：當(dāng)瞬態(tài)電壓回落至VBR以下時，TVS恢復(fù)高阻態(tài)，電路恢復(fù)正常工作。

關(guān)鍵參數(shù)：

（1）反向截止電壓（VRWM）或稱額定電壓：是指在規(guī)定的工作溫度范圍內(nèi)，TVS 二極管能長期連續(xù)承受的最大反向直流電壓（或重復(fù)脈沖反向電壓），在該電壓下，TVS 始終處于高阻狀態(tài)。

（2）擊穿電壓（VBR）：在規(guī)定的測試電流（通常為1mA或幾mA）下，TVS開始雪崩擊穿的電壓值，這是選擇TVS的必要依據(jù)，其值必須高于系統(tǒng)最高工作電壓，以避免誤動作。

（3）箝位電壓（VC）：在規(guī)定的峰值脈沖電流（IPP）下，TVS兩端呈現(xiàn)的最大電壓。這是保護(hù)效果的核心指標(biāo)，必須低于被保護(hù)器件的絕對最大額定電壓（Absolute Maximum Rating），否則保護(hù)無效。

（4）峰值脈沖電流（IPP）/峰值脈沖功率（PPP）：表征TVS能夠承受的最大瞬態(tài)能量。PPP= VC* IPP。這兩個參數(shù)決定了TVS在特定波形下的能量處理能力。對于拋負(fù)載這種高能量脈沖，IPP和PPP是核心選型指標(biāo)。

（5）結(jié)電容（Cj）：TVS的寄生電容，會影響高頻信號的傳輸，對于高速信號線上的保護(hù)需特別注意。

（6）響應(yīng)時間（tr）：TVS從檢測到過壓到進(jìn)入低阻態(tài)的時間，通常在皮秒（ps）級別，遠(yuǎn)快于拋負(fù)載脈沖的上升時間（～5ms），能滿足絕大多數(shù)應(yīng)用需求。

5. 基于標(biāo)準(zhǔn)要求的TVS選型與應(yīng)用策略

5.1 系統(tǒng)狀態(tài)判斷與保護(hù)需求分析

發(fā)電機(jī)無內(nèi)置抑制（對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)Pulse 5a）

風(fēng)險：ECU直接暴露于高幅值、高能量的原始拋負(fù)載脈沖。

保護(hù)策略：ECU輸入端必須安裝高能量TVS（如LeiditechSM8S系列），該TVS滿足ISO 16750-2（或ISO 7637-2）下Pulse 5a的所有要求（考慮10次脈沖，高US）。

發(fā)電機(jī)有內(nèi)置抑制（對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)Pulse 5b）

風(fēng)險：拋負(fù)載脈沖已被發(fā)電機(jī)內(nèi)置電路初步抑制，但電壓仍可能超過ECU耐受值（US）。

保護(hù)策略：

（1）評估：首先確認(rèn)發(fā)電機(jī)抑制后的電壓US是否低于ECU的耐受電壓。如果低于，ECU可能無需額外TVS。

（2）選擇TVS：如果高于ECU耐受電壓，則需安裝TVS。此時，TVS的VRWM必須高于US否則TVS會在正常工作時持續(xù)導(dǎo)通，導(dǎo)致過熱燒毀。TVS只需箝位超出US的部分，但仍需考慮ISO 16750-2的10次脈沖要求。

5.2 TVS選型計(jì)算與考量

確定VBR：由于需要考慮到耐直流電壓測試需求，一般國內(nèi)產(chǎn)品是需要12V系統(tǒng)選型大于24V TVS，而24V系統(tǒng)的選型用到33V 或36V的TVS.

確定VC：VC@ IPP< 被保護(hù)器件比如DCDC的絕對最大額定耐電壓。

確定IPP/PPP：

（1）計(jì)算IPP：拋負(fù)載脈沖電流峰值IPP≈ (US- VC) / Ri。其中US是測試電壓，VC是TVS的箝位電壓，Ri是測試源阻抗，一般從車廠獲取，如企標(biāo)沒有，則選擇高壓高阻，或低壓低阻。這是一個估算，因?yàn)閂C隨IPP變化。

（2）選擇依據(jù)：根據(jù)計(jì)算得到的IPP，查找TVS數(shù)據(jù)手冊中滿足此電流下箝位電壓VC不超過被保護(hù)器件耐壓的型號。同時，確保所選TVS的額定峰值脈沖功率/電流能夠承受ISO 16750-2（10次脈沖）的能量沖擊，充分根據(jù)TVS的時長斜率曲線計(jì)算功率耗散，因?yàn)闀r長積累的能量很大，Leiditech雷卯有提供專門針對拋負(fù)載應(yīng)用的TVS系列，其數(shù)據(jù)手冊會明確給出在ISO 16750-2波形下的IPP和VC值。

考慮多脈沖效應(yīng)：ISO 16750-2的10次脈沖要求意味著TVS不僅要承受單次脈沖的能量，還要考慮10次脈沖的總能量和熱效應(yīng)。選擇時應(yīng)確保TVS的總能量耐受能力（有時用Total Energy表示）滿足要求。

5.3 提升保護(hù)能力的策略

TVS串聯(lián)：將兩個或多個TVS串聯(lián)使用，可以：

（1）提高總箝位電壓：VC(total)≈ VC1+ VC2+ ...

（2）分擔(dān)電壓應(yīng)力：每個TVS承受的電壓降低，有助于滿足更低箝位電壓的需求或利用較低箝位電壓的器件組合達(dá)到目標(biāo)箝位值。

（3）增加總功率處理能力：PPP(total)≈ PPP1+ PPP2+ ...（假設(shè)電流分配均勻）

（4）優(yōu)點(diǎn)：電壓分布相對均勻（尤其是相同型號的TVS）。

（5）缺點(diǎn)：總箝位電壓升高，可能影響被保護(hù)電路的工作裕量。

TVS并聯(lián)：將兩個或多個TVS并聯(lián)使用，可以：

（1）提高總峰值脈沖電流/功率處理能力：IPP(total)≈ IPP1+ IPP2+ ... 或 PPP(total)≈ PPP1+ PPP2+ ...

（2）分擔(dān)電流應(yīng)力：降低單個TVS承受的電流，提高可靠性。

（3）缺點(diǎn)：由于VC的離散性，電流分配可能不均勻（箝位電壓稍低的TVS會流過更多電流），可能導(dǎo)致其中一個器件過載。因此，優(yōu)選相同批次、VC匹配良好的TVS進(jìn)行并聯(lián)，或使用專門設(shè)計(jì)用于并聯(lián)的TVS陣列。

布局與布線：TVS應(yīng)盡可能靠近被保護(hù)器件的引腳放置，連接走線應(yīng)盡量短而粗，以減少引線電感，確保TVS能有效箝位瞬態(tài)電壓。接地回路也應(yīng)低阻抗。

Leiditech雷卯電子針對ISO 7637-2汽車拋負(fù)載保護(hù)器件型號推薦以及測試數(shù)據(jù)：

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6. 結(jié)論

汽車拋負(fù)載防護(hù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要對標(biāo)準(zhǔn)（特別是ISO 16750-2的嚴(yán)苛要求）有深刻理解，并結(jié)合具體的應(yīng)用場景（發(fā)電機(jī)是否內(nèi)置抑制）進(jìn)行精確的TVS選型。雷卯電子EMC小哥提醒設(shè)計(jì)師必須綜合考慮VBR、VC、IPP/PPP等關(guān)鍵參數(shù)，以及多脈沖耐受能力和布局優(yōu)化。TVS串聯(lián)和并聯(lián)是應(yīng)對極端條件的有效手段，但需謹(jǐn)慎設(shè)計(jì)以發(fā)揮最佳效果。正確應(yīng)用TVS二極管，是構(gòu)建可靠、耐用汽車電子系統(tǒng)不可或缺的一環(huán)。上海雷卯電子做為專業(yè)的EMC元件與方案領(lǐng)導(dǎo)品牌，從拋負(fù)載防護(hù)到接口防靜電，定制方案全適配，并有自建實(shí)驗(yàn)室，可免費(fèi)提供相關(guān)的測試與整改，如需幫助，歡迎聯(lián)系！