解析汽车抛负载Load Dump：load dump产生原因与TVS并联保护方案

让我们聊聊Load Dump

在汽车电子中，load dump指的是低压电池在充电时与车辆的发电机突然断开连接。由于电池的突然断开，其余被接在发电机总线上的负载会承受非常大的浪涌电压。这个浪涌电压的峰值可能高达120V并且持续时间长达400ms才会衰减，这会对车载的低压用电设备造成成吨的伤害。所以通常12V的系统需要钳位到40V；24V的系统需要钳位到60V，以保证其安全和可靠。

下面两个图示大概说明了一下load dump产生的原因。

为什么电池突然断开会产生load dump？原理是什么？

发电机有非常大的电感量，电池又是很大的负载。所以当电池突然断开时，对于发电机来说相当于电感上的电流发生了突变。根据楞次定律，此时电感会产生一个反向的感应电动势E来阻止电流突变，这就是你看到的load dump波形。

OK，知道什么是load dump，让我们再来看一下相关的标准。

1. 初始标准是ISO7637-2。在2010年时，用ISO16750-2替代了ISO7637-2，所以目前的load dump以ISO16750-2为标准。

2. 标准里定义了几种脉冲电压的波形，pulse 1,2a,2b,3a,3b,5a,5b，其中5a才是我们所说的load dump波形。

下面给出两种标准的波形和参数，可以对比一下两者之间的区别：

主要区别是以下三点：

ISO16750-2的测试次数是10次（间隔时间1分钟）；ISO7637-2的测试次数是1次；

ISO16750-2的峰值电压Us要高于ISO-7637-2；

ISO16750-2的US*电压又明确定义；ISO7637-2的US*电压允许用户自定（这点和5b有关，这里先不做讨论）。

基于以上三点，我们可以看出新的ISO16750-2要比之前的ISO7637-2更为严格。

OK，了解了测试标准后，那我们就需要选择一颗合适的TVS来做保护了，跟着我来一步步计算下吧！

首先，选这颗TVS有两个目标是一定需要满足的：

1. TVS钳位电压需要小于后级元器件的最大耐压，在12V系统中后级元器件的最大耐压一般为40V，考虑一些余量，TVS钳位电压为35V比较合适。（24V系统的TVS钳位电压为65V比较合适）；

2. TVS需要能吸收load dump的能量并且不被损坏。

这里我们计算12V系统worst case时候的load dump来作为例子，参考ISO16750-2的标准。

列出以下的已知条件：

Vp(max)=101V;

Ri(min)=0.5ohm;

td(max)=400ms;

Vclamp=35V

1. 计算TVS承受的瞬时峰值功率Ppp

Ipeak=(Vp-Vclamp)/Ri=(101-35)/0.5=132A

Ppp=Ipeak x Vclamp=132x35=4.62kW

2. 计算峰值功率Ppp的持续时间T_conduct

解释一下下面的图，上图是load dump的波形，下图是TVS吸收的电流。在load dump的电压＞Vclamp时，会有电流流过TVS，意味着TVS吸收了load dump的能量，所以要计算的就是这部分的时间T_conduct。（为了简化计算，波形都近似成三角形）

slop of load dump=Vp/td=101/400=0.2525

T_conduct=(Vp-Vclamp)/slop=(101-35)/0.2525=261ms

3.最终结果

Ppp = 4.62kW @ T_conduct=261ms

Ppp = 4.62kW @ (½)T_conduct = 130.5ms（为了和TVS的规格书做比较，需要换算成1/2 T_conduct）

OK，计算结果有了，让我们来找一份TVS的规格书看一下。

下图是Littlefuse SLD8S系列的规格书，该系列是专门针对load dump应用而开发的TVS产品。

从下面这个图中，我们可以得到该TVS的：

Ppp=2.2kW@td=130ms

显然，单颗TVS是无法满足要求的。考虑一些设计余量以及高温derating的影响，这里我们需要选择三颗TVS并联的方案。

Ppp(3pcs in parallel)=3x2.2=6.6kW>Ppp(load dump)=4.62kW

TVS电压的选择，因为需要考虑jump start的要求，所以必须选择24V以上的，一般30V或者33V的TVS是比较常见的选择。

综上所述三颗SLD8S30A或者SLD8S33A并联是对策上述load dump测试较合适的选择。

细心的同学可能已经发现了，上述两颗TVS的Vclamp均大于40V(48.4V，53.3V)，但之前计算的时候不是说过Vclamp<35V才能有效地保护后级40V耐压的器件吗？这样选型是否会无法保护后级的器件？

这样的担心不无道理，不过TVS的Vclamp和Ipp是成正比的，也就是说Ipp如果能减小的话Vclamp也是会减小的；三颗并联的方案给Ppp留出了较大的余量，于此同时流过每颗TVS的Ipp也会相应的小于规格书中的值，所以实际的Vclamp应该会小于规格书中的标称值。大概的计算如下：

Ipeak = 132A,So each TVS/SLD8S30A = 132/3 = 44A

Rd of SLD8S30A=(Vclamp-Vbr)/Ipp=(48.4-35.05)/144=0.093ohm

Vclamp_actual=Ipp_actualxRd+Vbr=44x0.093+35.05=39.142V

可以看到在三颗TVS并联的方案下，Vclamp=39V<40V可以满足需求。当然你也可以选择更低电压的TVS来进一步降低Vclamp，比如SLD8S28A等等。当然，这些都是论计算，需要通过实际的测试来做验证。