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作者：意法微電子公司Helene Goulin，Philippe Merceron 汽車電子模塊要求采取反向電池保護措施，以避免不良電池操作可能導致的損壞風險。肖特基二極管是這種應用的首選器件，因為它們具有很低的前向壓降性能。 雖然肖特基二極管能夠很好地滿足上述要求，但它們必須支持ISO7637-2脈沖，因此通常選用具有高擊穿電壓的產(chǎn)品以便通過負脈沖1和脈沖3a測試--但這無助于取得最好的前向壓降性能，因為肖特基二極管固有的折衷性能遵循這樣的規(guī)則：擊穿電壓越高，前向壓降就越大。 不過調(diào)和這兩種狀態(tài)是有可能的。事實上，肖特基二極管具有在反向狀態(tài)下消耗一些功率的能力--這涉及到PARM參數(shù)(重復性峰值雪崩功率)。舉例來說，一個擊穿電壓為100V的肖特基二極管一方面支持ISO7637-2標準中規(guī)定的負脈沖1和脈沖3a，另一方面由于具有非常低的壓降因此可以提供非常好的前向工作性能。 本文討論了如何選擇汽車應用中的最佳肖特基二極管，才能既保留低前向壓降性能又能通過ISO7637-2脈沖測試。 技術發(fā)展現(xiàn)狀 ISO16750標準認為汽車電源軌可能會發(fā)生某種變化。由于錯誤維護造成的反向電池連接被描述為大風險項，電子模塊供應商知道應該采取一定的措施來處理這個問題。因此他們增加了一個電池反向保護器件來保護他們的電子模塊。 一般來說反向電池保護解決方案是由增加一個串聯(lián)二極管組成的，當電池反向連接時這個二極管可以阻止反向電流流動。 
圖1：將肖特基二極管用于反向電池保護的有源汽車模塊的典型原理圖。 這種解決方案的缺點之一是，二極管上會產(chǎn)生一定的壓降，因此會消耗一定的功率。基于這個原因，肖特基二極管成為首選產(chǎn)品，因為它的前向壓降要小于傳統(tǒng)的雙極二極管。 惡劣環(huán)境應用 汽車電子模塊必須通過ISO7637-2中規(guī)定的數(shù)個正脈沖和負脈沖測試。 其中最嚴格的一些脈沖有： 脈沖1：“由于電源從感性負載斷開而產(chǎn)生的瞬時脈沖”
圖2：ISO7637-2脈沖1。
脈沖2a：“由于線束電感致使與被測設備(DUT)并聯(lián)的設備中的電流突然中斷引起的瞬時脈沖"
圖3：ISO7637-2脈沖2a。
脈沖2b：“在點火回路切斷后用作發(fā)電機的直流電機產(chǎn)生的瞬時脈沖”
圖4：ISO7637-2脈沖2b。
脈沖3a：“開關過程導致的瞬時脈沖(負脈沖)”
圖5：ISO7637-2脈沖3a。
脈沖3b：“開關過程產(chǎn)生的瞬時脈沖” (正脈沖)
圖6：ISO7637-2脈沖3b。
脈沖4：“由于給內(nèi)燃機的啟動電機加電導致的電壓下降”。
圖7：ISO7637-2脈沖4。
脈沖5b："交流發(fā)電機正在產(chǎn)生充電電流、放過電的電池卻被斷開時發(fā)生的拋負載(load-dump)瞬時脈沖，前提是交流發(fā)電機具有自動保護功能"
圖8：ISO7637-2脈沖5b“鉗位的拋負載”。
事實上，最嚴格的正脈沖是脈沖5b，尖峰電壓一般是+36V，持續(xù)時間是300ms，串聯(lián)電阻是0.5Ω。最嚴格的負脈沖是脈沖1，它的峰值能達到-100V，持續(xù)時間為2ms，瞬時峰值電流為10A。 脈沖3a的指標是-150V、50Ω串聯(lián)電阻和100ns的持續(xù)時間，其能量要比脈沖1小得多--意味著如果肖特基二極管指標符合脈沖1要求，那么脈沖3a一點問題也沒有。 案例：如何選擇合適的肖特基二極管 用于反向電池保護的肖特基二極管選擇標準明確定義為既能滿足電子模塊的正常工作電流(圖1中的If )，也能承受ISO7637-2脈沖。 下面讓我們看一下STPS5H100肖特基二極管。這種器件的技術指標如表1所示。 表1：STPS5H100特性。
脈沖5b浪涌測試(圖8)是在使用具有自動保護功能的交流發(fā)電機場合最具能量的正浪涌脈沖，具有36V浪涌電壓、0.5Ω串聯(lián)電阻、300ms脈沖持續(xù)時間--我們可以評估浪涌發(fā)生期間STPS5H100上通過的最大電流。
圖9：脈沖5b浪涌測試原理圖。 根據(jù)圖9在測試平臺上進行測量將產(chǎn)生以下曲線：
圖10：瞬態(tài)抑制器側(cè)的電流和電壓。 上圖顯示了流經(jīng)反向電池保護電路的電流和瞬態(tài)抑制器上的電壓。其中值得注意的是電流脈沖持續(xù)時間。為了確保這種電流浪涌兼容STPS5H100，有必要與表1給出的IFSM(浪涌非重復性前向電流)進行比較。這張表顯示STPS5H100能夠支持最大電流為75 ARMS、持續(xù)時間為10ms的正弦波信號。 這種17.2A、70ms指數(shù)式浪涌等效于17.2A、154ms的正弦波浪涌(參考AN316應用筆記)。正弦波的變化符合i2t = 常數(shù)這個規(guī)律。而19A、154ms的浪涌在能量上等效于67A、10ms的正弦波。這樣，我們就可以將這個結(jié)果與75A、10ms的IFSM指標進行比較。因此我們可以看到STPS5H100能夠順利通過規(guī)定的脈沖5b測試。 如果我們看一下圖11所示的脈沖1，事情就不一樣了，因為肖特基二極管正在反向模式導通。
圖11：脈沖1的應用案例。 這個100V VRRM的二極管將激活成反向模式，因為在其端子上的電壓是-113.5V(由于電容電荷的原因等于Vsurge + Vbat)。 根據(jù)圖12(下面第一張圖)所示原理圖進行Pspice仿真結(jié)果可以顯示SPTS5H100消耗的功率，如圖13所示(下面第二張圖)。
圖12：脈沖1浪涌測試的Pspice模型。
圖13：Pspice仿真結(jié)果。 從圖13可以看出，峰值功率是118W的三角形狀，持續(xù)時間約120μs。這種三角波等效于59W、持續(xù)時間為120μs的方形脈沖。 現(xiàn)在，為了確保這張圖符合STPS5H100特性，我們必須仔細查看圖14。
圖14：歸一化的雪崩功率降級與脈沖持續(xù)時間關系。(STPS5H100數(shù)據(jù)手冊中的圖3) 這個降級曲線表明，STPS5H100能夠消耗的等效雪崩功率為0.035 * PARM = 252W。因此在這個例子中，STPS5H100符合ISO7637-2，可確保良好的反向電池保護功能。 本文小結(jié) 連接汽車電源軌的電子模塊可能會受到由于不良電池操作引起的極性反轉(zhuǎn)的影響。為了確保電路安全，模塊制造商經(jīng)常會增加一些反向電池保護器件如肖特基二極管，而不是雙極型二極管，因為肖特基二極管具有良好的方向傳導性能。模塊制造商傾向于選擇“高”擊穿電壓(150V)的肖特基管以便通過ISO7637-2脈沖1和脈沖3a測試及分別強加的-100V和-150V浪涌測試。因此方向傳導性能沒有最優(yōu)化，因為擊穿電壓越高，前向壓降就越大。 盡管如此，還是可以使用更低擊穿電壓的肖特基二極管，比如100V的肖特基二極管。如上所述，由于具有更低的壓降、能夠在ISO7637-2負浪涌測試期間工作在雪崩模式，所以肖特基二極管在方向性傳導損耗方面會帶來一些好處。 |
