在汽车智能化、电动化的时代浪潮汹涌澎湃之际,汽车产业正经历着一场前所未有的变革。如今的汽车不再仅仅是简单的机械交通工具,而是集先进电子技术、信息技术、通信技术于一体的智能移动终端。随着汽车电子系统的复杂性与集成度呈指数级提升,车内电子控制单元(ECU)数量大幅增加,从传统燃油车的十几个,到高端智能电动汽车的上百个;各类传感器如毫米波雷达、摄像头、激光雷达等遍布车身,用于实时感知车辆内外环境;通信模块也从单一的CAN总线扩展到支持5G、V2X等高速通信技术。这些电子设备的协同工作,构建起一个庞大而精密的电子网络,然而,这也使得汽车电子设备对电磁兼容性(EMC)的要求达到了近乎苛刻的程度。此外,TVS二极管于ESD的保护作用为汽车电子设备的稳定运行提供了有力保障。
静电放电(ESD)作为一种常见且极具破坏力的电磁干扰源,时刻威胁着汽车电子系统的安全稳定运行。在汽车日常使用过程中,存在着诸多极易引发ESD的场景。比如,在干燥的秋冬季节,人体穿着化纤衣物与车体接触时,由于摩擦产生静电,当触摸车门把手或其他金属部件时,就会发生静电放电现象;在对汽车电子设备进行维修或升级,插拔电子设备连接器的瞬间,也会产生强烈的静电冲击;此外,驾驶员操作汽车内的各类开关,如车窗开关、空调开关等,同样可能引发ESD。虽然ESD产生的脉冲冲击能量相对较小,但其瞬间释放的电压可高达数千伏甚至上万伏,电流也能达到数十安培至上百安培。这些瞬间产生的高电压和大电流,通过传导或辐射的方式耦合到汽车电子电路中,会对电路造成严重损害。具体而言,ESD产生的高电压脉冲可能会使半导体器件的PN结击穿,导致芯片内部的电子元件损坏;强大的电流脉冲则可能破坏栅氧化层,使芯片功能彻底失效。更为严重的是,ESD还可能干扰电路中的信号传输,造成通信错误、控制信号紊乱,从而影响发动机控制、制动防抱死系统(ABS)、电子稳定程序(ESP)等关键系统的正常运行,给行车安全带来极大隐患。
面对ESD的严峻挑战,瞬态电压抑制二极管(TVS)凭借其卓越的瞬态电压抑制能力,成为汽车电子抗ESD干扰的核心器件,在保障汽车电子系统稳定运行中发挥着不可替代的关键作用。TVS二极管是一种基于PN结雪崩击穿原理的半导体器件,其内部结构经过特殊设计,使其具备快速响应和高效的瞬态电压抑制能力。当电路中出现高于TVS二极管击穿电压的瞬态电压时,TVS二极管能够在皮秒级的极短时间内,迅速从高阻态转变为低阻态,就像一个瞬间闭合的高效开关,将过高的电压钳位在安全水平,同时将多余的能量以热量的形式快速释放出去。这种快速响应特性,能够及时抑制ESD脉冲的峰值电压,有效保护后端电路免受高压冲击,确保汽车电子系统的稳定运行。
从特性参数来看,TVS二极管具有多个关键指标,这些指标决定了其在不同应用场景下的性能表现。击穿电压(VBR)是TVS二极管开始发生雪崩击穿的电压,在汽车电子系统正常工作电压下,TVS二极管处于高阻态,对电路几乎没有影响,只有当电压超过击穿电压时,才会启动保护功能。最大钳位电压(VC)是在规定的脉冲峰值电流(IPP)下,TVS二极管两端的最大电压,该参数直接决定了被保护电路所承受的实际电压水平,VC越低,对电路的保护效果越好,能够更好地保障电子设备的安全。峰值脉冲功率(PPM)表示TVS二极管能够承受的最大瞬态脉冲功率,是衡量TVS二极管能量吸收能力的重要指标。在实际应用中,工程师需要根据汽车电子系统可能出现的ESD脉冲能量,来精确选择合适的PPM值,以确保TVS二极管能够有效吸收ESD能量,保护电路。此外,TVS二极管还具有结电容小、漏电流低等特点。在汽车电子系统日益向高速化、数字化发展的趋势下,信号传输速率越来越高,对信号完整性的要求也越来越严格。TVS二极管的这些特性使其在高速信号电路中应用时,不会对信号传输造成明显干扰,保证了信号的准确传输。
在汽车电子系统中,TVS二极管的应用十分广泛且具有多样化的方案。在电源端口防护方面,汽车电源系统在启动、关闭以及受到外界干扰时,会产生各种复杂的瞬态电压。例如,汽车冷启动时,由于发动机启动瞬间需要较大的电流,会导致电源系统出现大电流冲击;当汽车电气系统中的大功率负载突然断开时,会产生负载突降,引发高压脉冲。这些瞬态电压如果不加以抑制,会对电源管理芯片、ECU等后端电路造成严重损害。为了解决这一问题,TVS二极管通常并联在电源线路上,当瞬态电压出现时,TVS二极管迅速导通,将过高的电压钳位在安全范围内。
在信号端口防护中,汽车的通信总线、传感器信号输入端口等都面临着ESD干扰的风险。汽车通信总线是汽车电子系统中数据传输的“神经中枢”,常见的CAN总线、LIN总线等承担着大量的信息交互任务。由于信号传输对完整性要求极高,任何干扰都可能导致数据传输错误,因此需要选择结电容小的TVS二极管。对于CAN总线,为了不影响总线的高速通信性能,通常选用结电容小于10pF的TVS二极管进行防护,在抑制ESD脉冲的同时,保证数据的准确传输。在传感器信号端口,如车速传感器、温度传感器、压力传感器等,TVS二极管同样发挥着重要作用。这些传感器采集的信号是汽车电子控制系统做出决策的重要依据,如果受到ESD干扰,可能会导致信号错误,进而引发系统误判。TVS二极管可以有效防止外部静电干扰窜入传感器电路,确保传感器信号的准确性和稳定性。
随着汽车电子技术的不断发展,尤其是自动驾驶、车联网等新技术的兴起,对TVS二极管的性能和可靠性提出了更高的要求。为了满足这些需求,汽车厂商和电子元器件供应商在TVS二极管的研发和应用中,持续加大投入,进行技术创新和优化。在制造工艺方面,通过采用先进的半导体制造技术,如深亚微米工艺、倒装芯片技术等,提高TVS二极管的功率密度和能量吸收能力,使其能够应对更强大的ESD冲击。在材料和结构设计上,积极探索新型半导体材料,如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)等,这些材料具有优异的电学性能和耐高温性能,能够显著降低TVS二极管的结电容,提升其在高频信号电路中的应用性能。同时,通过优化器件结构设计,如采用多芯片集成技术、分布式布局等,进一步提高TVS二极管的性能和可靠性。