汽車瞬態(tài)保護(hù)至關(guān)重要

向更高電壓的TVS元件過渡，同時(shí)結(jié)合扁平引腳低厚度的元件封裝形式，對于在汽車應(yīng)用中解決存在的電壓瞬態(tài)有著諸多意義。它們必須結(jié)合所有必要的特性，以確保集成電路能夠承受汽車內(nèi)部存在的嚴(yán)格應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)還可以幫助汽車制造商節(jié)省空間、減輕重量，且不會(huì)導(dǎo)致更大的散熱問題。

越來越多的電子電路正被集成到新的車型中，而在日趨擁擠、復(fù)雜的電氣環(huán)境中，模擬與數(shù)字電路布設(shè)的位置非常接近，管理電壓瞬態(tài)變得比以往更加關(guān)鍵。如果想要實(shí)現(xiàn)車輛的舒適性、安全性，以及車載娛樂系統(tǒng)的可靠性，就需要運(yùn)用創(chuàng)新的技術(shù)及策略，以確?？梢詫λ矐B(tài)事件提供最高程度的保護(hù)。

確保集成電路可靠的壽命是關(guān)鍵

近20年來，汽車中的半導(dǎo)體數(shù)量幾乎以指數(shù)速度增加，而眾多的敏感集成電路(IC)，如：微控制器(MCU)、專用集成電路(ASIC)及現(xiàn)場可編程門陣列(FAPGA)等，需要予以保護(hù)，以防止瞬態(tài)事件可能造成的損傷。如今，一輛普通的汽車中包含50多個(gè)瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)元件，而高檔豪華車型中的數(shù)量還會(huì)高出許多(通常多達(dá)2倍)。而TVS元件在兩個(gè)領(lǐng)域中至關(guān)重要：第一是座艙電子，如信息娛樂系統(tǒng)及舒適系統(tǒng)，涉及到小信號(hào);第二就是處理源自電動(dòng)機(jī)、螺線管等頻繁開關(guān)源的較大瞬態(tài)。

保護(hù)免受瞬態(tài)事件影響的首要目標(biāo)是：確保車載電子電路長期穩(wěn)定、可靠的工作壽命。這表示我們需要降低進(jìn)行維修的頻率。不僅如此，它還可幫助制造商降低因某個(gè)車型的系統(tǒng)故障造成整車召回的風(fēng)險(xiǎn)。汽車系統(tǒng)故障可能暴露在各種不同的現(xiàn)象中，其中就包括大電壓尖峰、負(fù)載開關(guān)瞬態(tài)或某些情況下負(fù)載突發(fā)放電狀況。

面臨巨大挑戰(zhàn)

ISO7637-2標(biāo)準(zhǔn)定義了專門跟汽車領(lǐng)域相關(guān)的瞬態(tài)脈沖，它涉及所有采用12V(用于乘用車)或24V(用于商用車)電氣系統(tǒng)供電的車輛，規(guī)定了實(shí)現(xiàn)該標(biāo)準(zhǔn)必須遵從的測試方法及流程。值得一提的是，某些汽車制造商在實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)以及采用的脈沖類型方面有其不同的版本。不僅是汽車系統(tǒng)正變得更加復(fù)雜，下一代半導(dǎo)體技術(shù)——采用更小工藝節(jié)點(diǎn)的IC更易于受到瞬態(tài)效應(yīng)的影響，因而需要更有效的保護(hù)。此外，汽車制造商在尋求實(shí)現(xiàn)減輕汽車重量的系統(tǒng)解決方案，這也意味著汽車行業(yè)在整體上需要更小封裝尺寸及更薄的元器件。因此，元器件供應(yīng)商必須生產(chǎn)保護(hù)功能更強(qiáng)但外形因數(shù)也更小的TVS元件。

實(shí)現(xiàn)可靠的封裝性能

當(dāng)前，用于汽車的TVS元件通常傾向于采用SMA、SMB形式的封裝。雖然其數(shù)量存在穩(wěn)步增長的趨勢，但元件尺寸卻在不斷減小。通常情況下，如果要使保護(hù)元件完全發(fā)揮作用，不管尺寸大小，都必須維持在600W的額定功率。此外，汽車制造商還要求降低鉗位電壓以減小瞬態(tài)事件存在導(dǎo)致的應(yīng)力分布不均現(xiàn)象。如今，供應(yīng)商開始轉(zhuǎn)向SMA-Flat及SOD-123FL形式的封裝。

SOD-123FL充分滿足汽車制造商的需求，顯著縮小封裝的占位面積，且占用更小的印制電路板(PCB)面積。但散熱性能會(huì)降低(因?yàn)楹纳⑺矐B(tài)能量的面積減小了)，裸片尺寸大幅減小(隨著ASIC幾何尺寸轉(zhuǎn)向28nm或22nm，需要將峰值電壓抑制到更低的水平，因?yàn)楣杵资艿接绊?。如果重新設(shè)計(jì)系統(tǒng)以降低功率等級(jí)，則會(huì)增加開發(fā)成本，延長上市時(shí)間。相比而言，SMAT-Flat是一種更有吸引力的選擇，其封裝比SMA及SMB元件擁有關(guān)鍵的優(yōu)勢，不僅減小了總體尺寸，還能夠耗散跟SMB元件相當(dāng)?shù)墓β?能比SMA元件耗散更多功率)。由于它的裸片尺寸能跟當(dāng)前使用的TVS封裝形式相當(dāng)，因此就省去了重新設(shè)計(jì)的高昂成本。散熱性能得到了維持，但也達(dá)到了最大封裝占位面積。

必須要注意的是，當(dāng)滿足設(shè)計(jì)的總功率要求時(shí)，越來越多的情況下，不僅需要考慮電壓范圍，還要考慮電流消耗對總能耗的影響。一種尋求指定TVS元件峰值功率耗散能力的方法，就是通過預(yù)定義脈沖。它能夠?qū)?0×1000μs非重復(fù)脈沖用于降低功率耗散——這通常表示上升時(shí)間為10μs、到達(dá)峰值電流一半值的時(shí)間為1000μs的波形(見圖所示)。器件的數(shù)據(jù)表上通常易于找到這樣的波形。針對市場上正在推出的SMA-Flat封裝元件，它們能夠提供相同的功率耗散等級(jí)。

未來潛力巨大

未來，預(yù)期純電動(dòng)汽車(EV)及混合動(dòng)力汽車(HEV)領(lǐng)域的增長將為電壓瞬態(tài)保護(hù)帶來新的挑戰(zhàn)。這不僅體現(xiàn)在這些車輛本身，而且體現(xiàn)在配合EV及HEV的基礎(chǔ)設(shè)施方面。如果汽車行業(yè)最終確實(shí)發(fā)展到使用48V電源，預(yù)計(jì)更多的障礙還會(huì)涌現(xiàn)。雖然48V電源的應(yīng)用還有很長的路需要走，但HEV中起停系統(tǒng)及內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)汽車中的制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的開發(fā)確實(shí)取得了比預(yù)想更快的進(jìn)步。由于使用了更高電壓，保護(hù)電路的總功率需要增加，瞬態(tài)事件的頻率及類型會(huì)發(fā)生變化。

向更高電壓的TVS元件過渡，同時(shí)結(jié)合扁平引腳低厚度的元件封裝形式，對于在汽車應(yīng)用中解決存在的電壓瞬態(tài)有著諸多意義。它們必須結(jié)合所有必要的特性，以確保集成電路能夠承受汽車內(nèi)部存在的嚴(yán)格應(yīng)用環(huán)境，同時(shí)還可以幫助汽車制造商節(jié)省空間、減輕重量，且不會(huì)導(dǎo)致更大的散熱問題。