汽車電氣系統(tǒng)面臨的最嚴峻瞬態(tài)過壓挑戰(zhàn)之一便是拋負載（Load Dump）。本篇分析兩個核心的汽車拋負載測試標準——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）二極管作為關鍵保護元件的技術(shù)原理、關鍵參數(shù)定義及其在滿足上述嚴苛標準中的選型準則、設計考量與實際應用策略，為汽車電子工程師提供全面的防護設計參考。

1. 汽車拋負載現(xiàn)象機制與失效風險分析

汽車抗擾測試中，最嚴酷的就是拋負載測試，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)電機并聯(lián)為整車電氣系統(tǒng)供電。當發(fā)動機高速運轉(zhuǎn)時，發(fā)電機處于充電狀態(tài)。若在此期間，由于線路松動、腐蝕或其他機械故障導致電池突然斷開（負載瞬間消失），發(fā)電機勵磁繞組（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：可達到數(shù)十甚至上百伏特，遠超系統(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，有效的拋負載保護是確保汽車電子系統(tǒng)可靠性的基石。

2. 汽車拋負載防護的核心標準：

ISO 7637-2 vs.ISO 16750-2

為量化評估車輛電子設備對拋負載的抗擾度，國際標準化組織制定了專門的測試標準。

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

ISO 16750-2：這是更新的標準，屬于《道路車輛 電氣和電子設備的環(huán)境條件和試驗》系列標準的一部分。它替代了ISO 7637-2中關于拋負載脈沖5的部分，提供了更精確、更嚴格的規(guī)范。關鍵改進在于：

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載事件，對保護器件的累積能量耐受能力提出了更嚴峻的考驗。

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，意味著保護電路需處理更高的能量。

細化了參數(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關鍵參數(shù)對比與影響分析

結(jié)論：ISO 16750-2 是一個更嚴格、更能反映真實應用場景的測試標準。設計用于滿足該標準的保護電路，必然也能滿足（或超越）ISO 7637-2的要求。

4. 拋負載保護電路

設計拋負載保護電路，不單要考慮浪涌，還需要考慮防反接，過電流保護等，選型過程還需要充分考慮EMC測試的其他項目波形，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體器件，專門用于吸收瞬態(tài)過電壓能量。

工作原理：

（1）待機狀態(tài)：當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)：當瞬態(tài)過電壓超過其擊穿電壓（VBR）時，TVS迅速進入雪崩擊穿區(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：當瞬態(tài)電壓回落至VBR以下時，TVS恢復高阻態(tài)，電路恢復正常工作。

關鍵參數(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。這是保護效果的核心指標，必須低于被保護器件的絕對最大額定電壓（Absolute Maximum Rating），否則保護無效。

（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。對于拋負載這種高能量脈沖，IPP和PPP是核心選型指標。

（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需特別注意。

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

5. 基于標準要求的TVS選型與應用策略

5.1 系統(tǒng)狀態(tài)判斷與保護需求分析

發(fā)電機無內(nèi)置抑制（對應標準Pulse 5a）

風險：ECU直接暴露于高幅值、高能量的原始拋負載脈沖。

保護策略：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)電機有內(nèi)置抑制（對應標準Pulse 5b）

風險：拋負載脈沖已被發(fā)電機內(nèi)置電路初步抑制，但電壓仍可能超過ECU耐受值（US）。

保護策略：

（1）評估：首先確認發(fā)電機抑制后的電壓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)導通，導致過熱燒毀。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< 被保護器件比如DCDC的絕對最大額定耐電壓。

確定IPP/PPP：

（1）計算IPP：拋負載脈沖電流峰值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，如企標沒有，則選擇高壓高阻，或低壓低阻。這是一個估算，因為VC隨IPP變化。

（2）選擇依據(jù)：根據(jù)計算得到的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的時長斜率曲線計算功率耗散，因為時長積累的能量很大，Leiditech雷卯有提供專門針對拋負載應用的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：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。選擇時應確保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）分擔電壓應力：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到目標箝位值。

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

（4）優(yōu)點：電壓分布相對均勻（尤其是相同型號的TVS）。

（5）缺點：總箝位電壓升高，可能影響被保護電路的工作裕量。

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）分擔電流應力：降低單個TVS承受的電流，提高可靠性。

（3）缺點：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進行并聯(lián)，或使用專門設計用于并聯(lián)的TVS陣列。

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

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

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6. 結(jié)論

汽車拋負載防護是一項系統(tǒng)工程，需要對標準（特別是ISO 16750-2的嚴苛要求）有深刻理解，并結(jié)合具體的應用場景（發(fā)電機是否內(nèi)置抑制）進行精確的TVS選型。雷卯電子EMC小哥提醒設計師必須綜合考慮VBR、VC、IPP/PPP等關鍵參數(shù)，以及多脈沖耐受能力和布局優(yōu)化。TVS串聯(lián)和并聯(lián)是應對極端條件的有效手段，但需謹慎設計以發(fā)揮最佳效果。正確應用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元件與方案領導品牌，從拋負載防護到接口防靜電，定制方案全適配，并有自建實驗室，可免費提供相關的測試與整改，如需幫助，歡迎聯(lián)系！