汽车电子系统安全守护者：瞬态电压抑制（TVS）二极管的应用
发布时间：2025-07-03
来源：罗姆半导体社区 (https://rohm.eefocus.com)
在汽车智能化、电动化的发展浪潮下，汽车电子系统变得日益复杂且精密。从发动机控制系统到车载娱乐系统，从自动驾驶辅助系统到新能源电池管理系统，众多电子元件协同工作，支撑着现代汽车的各项功能。然而，复杂的电子环境也让汽车电子系统面临着诸多电气威胁，如电压瞬变、静电放电、电磁干扰等，这些威胁可能导致电子元件损坏、系统功能失效，甚至危及行车安全。在此背景下，TVS二极管凭借其卓越的过电压保护性能，成为汽车电子系统中保障电路安全稳定运行的关键器件。
TVS二极管本质上是一种二极管形式的高效能保护器件，它能在极短的时间内将其两极间的高阻抗变为低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，将两极间的电压箝位在一个预定值，从而有效地保护电子线路中的精密元器件免受各种浪涌脉冲的损坏。根据结构不同，TVS二极管可分为单极型和双极型，单极型TVS二极管适用于直流电路保护，双极型则可用于交流或正负交变信号的保护。从封装形式来看，有表面贴装（SMD）和通孔插装（THD）等类型，汽车电子系统中常用的是表面贴装封装，因其能够适应高密度电路板布局，且具备良好的散热性能和机械稳定性。
汽车电子系统中的电气威胁来源广泛且复杂。汽车在启动和停止过程中，发电机产生的电压会出现剧烈波动，例如在冷启动时，发电机电压可能会瞬间升高到几十伏甚至更高；当汽车上的感性负载切换时，会产生反向电动势，形成电压尖峰，这种电压尖峰如果不加以抑制，可能会高达数百伏；在车辆行驶过程中，静电放电（ESD）也是常见的电气威胁，人体接触车辆时产生的静电，或者车辆在干燥环境中行驶与空气摩擦产生的静电，其放电瞬间电压可达到数千伏甚至上万伏；此外，汽车还处于复杂的电磁环境中，来自周围电气设备、通信基站等的电磁干扰，也可能会引发电路中的电压瞬变。这些电气威胁的存在，对汽车电子系统的可靠性和稳定性提出了严峻挑战，而TVS二极管正是应对这些威胁的有效手段。
在汽车发动机控制系统中，TVS二极管发挥着至关重要的保护作用。发动机控制系统包含众多传感器和执行器，如曲轴位置传感器、节气门位置传感器、喷油器驱动电路等。这些传感器和执行器的信号线路极易受到电压瞬变的影响。当发动机启动时，启动电机的大电流会在电源线路上产生电压波动，这种波动可能会耦合到传感器信号线路中，干扰传感器的正常工作，导致信号失真甚至传感器损坏。TVS二极管被并联在传感器和执行器的信号线路上，当出现过电压时，TVS二极管迅速导通，将过电压箝位在安全范围内，保护传感器和执行器免受损坏，确保发动机控制系统能够准确地获取发动机运行状态信息，并精确控制发动机的工作，维持发动机的正常运行和良好的动力性能。
汽车的车载网络系统同样离不开TVS二极管的保护。随着汽车智能化程度的提高，车内电子控制单元（ECU）数量不断增加，为了实现各ECU之间的高效通信，车载网络系统应运而生，常见的有控制器局域网络（CAN）、局部互联网络（LIN）等。在车载网络中，数据信号以电信号的形式在通信线路中传输，而通信线路容易受到电磁干扰和静电放电的影响。一旦通信线路受到干扰，可能会导致数据传输错误、通信中断，进而影响整个车载网络系统的正常运行，使得车辆的部分功能无法正常使用。TVS二极管被安装在CAN总线、LIN总线等通信线路的接口处，当静电放电或电磁干扰产生的过电压出现时，TVS二极管能够迅速响应，将过电压吸收和箝位，保证通信线路上的信号质量，确保各ECU之间的数据通信稳定可靠，维持车载网络系统的正常运行。
在汽车照明系统中，TVS二极管也有着重要应用。现代汽车广泛采用发光二极管（LED）作为照明光源，LED灯具虽然具有高效、节能、寿命长等优点，但它们对电压的稳定性要求较高，过电压很容易导致LED芯片损坏。汽车在行驶过程中，电压的波动、开关操作产生的瞬态电压等都可能会对LED照明系统造成威胁。当车辆开启或关闭大灯时，电路中的电流突变会产生电压尖峰；在车辆行驶过程中，外界的电磁干扰也可能会影响照明系统的电路。TVS二极管被串联或并联在LED照明电路中，当出现过电压情况时，TVS二极管及时动作，将电压稳定在LED能够承受的范围内，保护LED芯片不受损坏，确保汽车照明系统的正常工作，为驾驶员提供良好的照明条件，保障行车安全。
在新能源汽车的电池管理系统（BMS）中，TVS二极管同样发挥着重要作用。BMS负责监测电池的电压、电流、温度等参数，控制电池的充放电过程，以确保电池的安全和高效运行。由于电池在充放电过程中会产生较大的电流变化，容易在电路中引发电压瞬变；同时，车辆行驶过程中的振动、颠簸以及外界的电磁环境也会对BMS的电路造成影响。如果这些过电压不能得到及时有效的抑制，可能会损坏BMS中的电子元件，导致电池管理系统功能失效，进而影响电池的性能和寿命，甚至引发安全事故。TVS二极管被布置在BMS的电源线路、传感器信号线路以及通信线路上，对过电压进行快速响应和抑制，保护BMS中的各种电子元件，保障电池管理系统的稳定运行，确保新能源汽车电池的安全和可靠。
TVS二极管在汽车电子系统中的应用，不仅要考虑其基本的过电压保护性能，还需要结合汽车电子系统的特殊要求进行选型和布局。在选型方面，需要根据电路的工作电压、可能出现的过电压幅值、持续时间等参数，选择合适的TVS二极管型号，确保其箝位电压能够有效保护电路元件，同时其峰值脉冲功率能够承受可能出现的最大浪涌能量。在布局方面，TVS二极管应尽可能靠近被保护的元件，以减少过电压在传输过程中对电路的影响；并且要注意合理的布线，避免信号线与电源线交叉干扰，同时保证TVS二极管的接地良好，以确保其过电压抑制效果。此外，由于汽车工作环境较为恶劣，温度变化范围大、振动频繁，TVS二极管还需要具备良好的环境适应性，能够在高温、低温、潮湿等环境下稳定工作。
TVS二极管凭借其快速响应、高效箝位等特性，在汽车电子系统的各个领域都发挥着关键作用。从动力系统到安全系统，从照明系统到车载网络系统，TVS二极管为汽车电子元件提供了可靠的过电压保护，保障了汽车电子系统的稳定运行，为汽车的安全性、可靠性和智能化发展奠定了坚实基础。
关键词：TVS二极管
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TVS二极管作为高效保护器件，能在极短时间内由高阻变低阻，吸收浪涌功率并箝位电压。其分单极和双极型，汽车常用SMD封装，在发动机控制等多系统中，通过并联或串联于线路，快速响应抑制过电压，选型布局需结合电路参数与环境要求。
在汽车电子抗ESD干扰中，TVS二极管基于PN结雪崩击穿原理，能在皮秒级时间内由高阻态转低阻态，钳位瞬态电压并释放能量，其击穿电压、钳位电压等参数关键，应用于电源及信号端口，工艺和材料正不断创新。
TVS二极管凭借半导体PN结击穿特性，在ESD防护中发挥关键作用。正常工作时PN结高阻，遇ESD事件触发雪崩或齐纳击穿，瞬间切换至低阻态，钳位过电压。其峰值脉冲功率、反向断态电压、正向导通电压等性能参数，决定防护能力。
在现代电子系统中，TVS 二极管因卓越的瞬态电压抑制能力而不可或缺。选型时，需综合考量反向工作电压、击穿电压、峰值脉冲电流、箝位电压等关键参数，全面权衡，方能构建可靠电路保护体系。
稳压二极管与TVS二极管在电子电路中地位关键却差异显著。稳压二极管基于PN结反向击穿特性，用于长期精准电压调控，性能参数多样，应用于需稳定电压的电路。TVS二极管基于雪崩击穿效应，能快速响应瞬态过电压，保护精密元器件。
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