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        汽車拋負載Load Dump

        發布時間:2025-02-01 責任編輯:lina

        【導讀】在汽車電子中,load dump指的是低壓電池在充電時與車輛的發電機突然斷開連接。由于電池的突然斷開,其余被接在發電機總線上的負載會承受非常大的浪涌電壓。這個浪涌電壓的峰值可能高達120V并且持續時間長達400ms才會衰減,這會對車載的低壓用電設備造成成噸的傷害。所以通常12V的系統需要鉗位到40V;24V的系統需要鉗位到60V,以保證其安全和可靠。


        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與車輛的發電機突然斷開連接。由于電池的突然斷開,其余被接在發電機總線上的負載會承受非常大的浪涌電壓。這個浪涌電壓的峰值可能高達120V并且持續時間長達400ms才會衰減,這會對車載的低壓用電設備造成成噸的傷害。所以通常12V的系統需要鉗位到40V;24V的系統需要鉗位到60V,以保證其安全和可靠。


        下面兩個圖示大概說明了一下load dump產生的原因。


        汽車拋負載Load Dump


        汽車拋負載Load Dump


        為什么電池突然斷開會產生load dump?原理是什么?


        發電機有非常大的電感量,電池又是很大的負載。所以當電池突然斷開時,對于發電機來說相當于電感上的電流發生了突變。根據楞次定律,此時電感會產生一個反向的感應電動勢E來阻止電流突變,這就是你看到的load dump波形。


        OK,知道什么是load dump,讓我們再來看一下相關的標準。


        1. 初始標準是ISO7637-2。在2010年時,用ISO16750-2替代了ISO7637-2,所以目前的load dump以ISO16750-2為標準。


        2. 標準里定義了幾種脈沖電壓的波形,pulse 1,2a,2b,3a,3b,5a,5b,其中5a才是我們所說的load dump波形。


        下面給出兩種標準的波形和參數,可以對比一下兩者之間的區別:


        汽車拋負載Load Dump



        主要區別是以下三點:

        • ISO16750-2的測試次數是10次(間隔時間1分鐘);ISO7637-2的測試次數是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(這點和5b有關,這里先不做討論)。


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


        OK,了解了測試標準后,那我們就需要選擇一顆合適的TVS來做保護了,跟著我來一步步計算下吧!


        首先,選這顆TVS有兩個目標是一定需要滿足的:

        1. TVS鉗位電壓需要小于后級元器件的最大耐壓,在12V系統中后級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系統的TVS鉗位電壓為65V比較合適);

        2. TVS需要能吸收load dump的能量并且不被損壞。


        這里我們計算12V系統worst case時候的load dump來作為例子,參考ISO16750-2的標準。


        汽車拋負載Load Dump


        列出以下的已知條件:

        Vp(max)=101V;

        Ri(min)=0.5ohm;

        td(max)=400ms;

        Vclamp=35V

        1. 計算TVS承受的瞬時峰值功率Ppp

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

        Ppp=Ipeak x Vclamp=132x35=4.62kW

        2. 計算峰值功率Ppp的持續時間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,會有電流流過TVS,意味著TVS吸收了load dump的能量,所以要計算的就是這部分的時間T_conduct。(為了簡化計算,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


        汽車拋負載Load Dump


        3. 最終結果


        Ppp = 4.62kW @ T_conduct=261ms

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


        OK,計算結果有了,讓我們來找一份TVS的規格書看一下。


        下圖是Littlefuse SLD8S系列的規格書,該系列是專門針對load dump應用而開發的TVS產品。


        從下面這個圖中,我們可以得到該TVS的:


        Ppp=2.2kW@td=130ms<Ppp(load dump)=4.62kW


        汽車拋負載Load Dump


        顯然,單顆TVS是無法滿足要求的??紤]一些設計余量以及高溫derating的影響,這里我們需要選擇三顆TVS并聯的方案。


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


        TVS電壓的選擇,因為需要考慮jump start的要求,所以必須選擇24V以上的,一般30V或者33V的TVS是比較常見的選擇。


        汽車拋負載Load Dump


        綜上所述三顆SLD8S30A或者SLD8S33A并聯是對策上述load dump測試較合適的選擇。


        細心的同學可能已經發現了,上述兩顆TVS的Vclamp均大于40V(48.4V,53.3V),但之前計算的時候不是說過Vclamp<35V才能有效地保護后級40V耐壓的器件嗎?這樣選型是否會無法保護后級的器件?


        這樣的擔心不無道理,不過TVS的Vclamp和Ipp是成正比的,也就是說Ipp如果能減小的話Vclamp也是會減小的;三顆并聯的方案給Ppp留出了較大的余量,于此同時流過每顆TVS的Ipp也會相應的小于規格書中的值,所以實際的Vclamp應該會小于規格書中的標稱值。大概的計算如下:

        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并聯的方案下,Vclamp=39V<40V可以滿足需求。當然你也可以選擇更低電壓的TVS來進一步降低Vclamp,比如SLD8S28A等等。當然,這些都是論計算,需要通過實際的測試來做驗證。

        最后,聊一個小問題,新能源汽車還需要考慮load dump嗎?請大家聊聊你的看法吧!

        文章來源:Littelfuse


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