瞬态抑制二极管在车辆仪表中的应用

杨 博， 刘庆飞， 闫 冬， 胡 波

（1.上海四通仪表股份有限公司，江苏 苏州 215163；2.中国兵器工业第214研究所苏州研发中心，江苏 苏州 215163）

0 引 言

车辆仪表是驾驶员与汽车进行信息交流的重要接口和界面［1－2］，是车辆安全行驶的重要保证。包括显示车速、里程、发动机转速、油量、水温、指示灯、轮胎气压、制动装置、安全气囊等功能，仪表能够可靠地显示驾驶员需要的信息是非常重要的。车辆仪表的硬件设计将决定仪表在高压脉冲干扰、抛负载等情况下工作的可靠性。巧妙地应用瞬态抑制二极管和电阻的组合，能够很有效地提高仪表的可靠性。

1 车辆内部线路干扰介绍

汽车内部的线路结构简图［3］如图1所示。

图1 汽车内部的线路结构简图

其中，R1，R2，…，Rn为电源线上的电阻，Z1，Z2，…，Zn为地线上的电阻，U1，U2，…，Un为支路的电压，I1，I2，…，In为支路的电流。

各设备工作电压为：

根据式（1）～式（3），车辆上任意一个电器设备如闪光器、大前灯等电流变化都会导致其它设备电压的变化。并且电器设备中存在感性设备和容性设备，会给整个电路带来大电流和高电压的冲击。当车辆发电机调压器出现问题时，电压U0会超出电器设备的额定工作电压值，导致电器设备的损坏。车辆仪表是线路中的一个电器设备，当其它设备的电流或者电压发生变化时，会给车辆仪表带来干扰。如何解决抗干扰问题成为仪表可靠性设计的关键。

2 瞬态抑制二极管特性介绍

瞬态抑制二极管（Transient Voltage Suppressor，TVS）是一种稳压二极管形式的瞬态大功率保护器件［4］。当瞬态抑制二极管的两极受到反向瞬态高能量冲击时，它将其两极间的高阻抗瞬间（纳秒级）变为低阻抗，吸收高达数千瓦的功率，使两极间的电压箝位在一个预定值，有效地保护电子线路中的其它元器件免受高压浪涌脉冲的损坏。

TVS管的电路符号和普通稳压管相同。其电压－电流特性曲线如图2所示。

图2 TVS管电压－电流特性曲线

TVS管主要参数如下：

1）击穿电压（UBR）。TVS反向电流等于IT时，瞬态抑制二极管两端的反向电压称为击穿电压。

2）测试电流（IT）。测试TVS时的电流称为测试电流。

3）反向变位电压（URWM）。TVS的最大额定直流工作电压，瞬态抑制二极管高阻状态的最大电压值。此参数也可被认为是所保护电路的工作电压额定电压的最大值。

4）最大反向漏电流（IR）。TVS在工作电压下测得的流过TVS的反向电流。

5）最大峰值电流（IPP）。TVS允许的最大浪涌电流，它反映了TVS的浪涌脉冲抑制能力。

6）箝位电压（UC）。当TVS管承受瞬态高能量脉冲冲击时，管子中流过电流，峰值为IPP，反向电压上升到UC值就不再上升，从而实现保护作用。浪涌过后，TVS两端电压由UC开始下降，当反向电压值小于URWM时，恢复高阻状态。

3 瞬态抑制二极管的应用

3.1 瞬态抑制二极管的常用方法

TVS主要用于对电路元件进行过压保护。它能“吸收”功率高达数千瓦的浪涌脉冲信号。TVS因为具有响应速度极快、功率大、体积小等优点得到广大电子电路设计师的青睐，在家用电器、电子仪器设备、精密设备、高压直流电机控制器、总线通讯接口、继电器噪声抑制等诸多领域［5］得以应用。常用保护方法如图3所示。

图3 TVS常用方法

电源干扰情况如图4所示。

图4 电源干扰情况

当电源上出现如图4所示干扰时，增加TVS干扰被抑制电源波形如图5所示［6］。

图5 增加TVS干扰被吸收

TVS对电路的保护功能显而易见。

3.2 瞬态抑制二极管在车辆仪表中的应用

瞬态抑制二极管在车辆仪表中的应用和普通应用略有不同，因为车辆上的电源是由发电机通过调压器控制为车上电瓶充电，当调压器出现不稳定的时候，电压可能出现持续的高电压，当持续高电压大于TVS最大箝位电压时，不但会将TVS烧坏［7］，而且TVS损坏后出现的短路现象很可能烧毁车辆的线束，导致整车出现故障。为了避免这种现象的发生多采用在电源端串联一个功率电阻的方法。电路图如图6所示。

图6 车辆仪表中TVS应用原理图

增加功率电阻R1，当电源电压持续高于TVS最大箝位电压时，R1可以起到分压的作用，并且电源电压越大，流过TVS管的电流I2就越大，I1＝I2＋I3，所以I1增大，R1的分压效果也相应增大。这样使车辆仪表对高压脉冲干扰起到了防护作用，而且当电源持续高电压时，也能很好地保护仪表［8］。可以结合车辆仪表的工作额定电压和额定电流选择适合的瞬态抑制二极管D1和功率电阻R1。

4 结 语

在车辆仪表的设计过程中，选择适合的保护器件可以有效地增加仪表的可靠性和仪表的适应能力，深入了解整车电器性能，为设计高可靠性的车辆仪表起着重要作用。

［1］段景汉.瞬态电压抑制（TVS）二极管及其应用［J］.国外电子元器件，1996（3）：13－15.

［2］周晓东，李亚杰.汽车仪表指针识别方法研究［J］.长春工业大学学报：自然科学版，2010，31（1）：32－36.

［3］中华人民共和国国家发展和改革委员会.QC／T 727－2007汽车、摩托车用仪表［S］.北京：中国计划出版社，2008.

［4］李梅素.瞬态电压抑制二极管在电路中的应用［J］.无线电通信技术，2000，26（5）：8－9，14.

［5］杨莉莎，李勋.瞬态电压抑制二极管TVS及其应用［J］.通信电源技术，2000（4）：26－27.

［6］中华人民共和国国家发展和改革委员会.QC／T 783－2007，汽车、摩托车用车速传感器［S］.北京：中国计划出版社，2008.

［7］P Osmokrovic，M Jurosevic，K Stankovic，et al.Radiation hardness of gas discharge tubes and avalanche diodes used for transient voltage suppression［J］.Radiation Effects and Defects in Solids，2009，164（12）：800－808.

［8］中华人民共和国国家发展和改革委员会.QC／T 784－2007，汽车、摩托车仪表用场致发光屏［S］.北京：中国计划出版社，2008.